DE10200801A1

DE10200801A1 - Wellengelenk mit zwei gekreuzt angeordneten Zungengelenken

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Publication number: DE10200801A1
Application number: DE2002100801
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-07-31

Abstract

Im Stand der Technik werden Kardangelenke trotz der bekannten Nachteile wie Lagerreibung, Verschleiß, Wartungsaufwand, Lagerspiel etc. vielfach eingesetzt. Gelenklose Alternativen wie beispielsweise die Duromerscheibe (Hardi-Scheibe), Lamellenkupplung oder Metallbalgkupplung verfügen nicht über die erforderliche Drehmomentsteifigkeit, so dass sie die Kardangelenke nicht zu ersetzen vermögen. Zielsetzung der Erfindung ist ein lagerloses Wellengelenk, das bezüglich Drehmomentsteifigkeit und winkeliger Auslenkung ein größeres Einsatzspektrum bietet als der Stand der Technik. DOLLAR A Das Wellengelenk ist analog einem Kardangelenk aufgebaut, mit dem Unterschied, dass die Wälz-, bzw. Gleitlager durch Zungengelenke ersetzt sind. Die Zungengelenke sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren, meist im rechten Winkel zueinander angeordneten Gelenkzungen bestehen. DOLLAR A Mögliche Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Wellengelenks sind: DOLLAR A a) Substitution von herkömmlichen Kardangelenken bei begrenzten Auslenkungswinkeln, beispielsweise im LKW-Antriebsstrang oder industrielle Antriebe. DOLLAR A b) Alle Präzisionsantriebe, bei denen absolute Spiel- und Reibungsfreiheit gefordert ist. DOLLAR A c) Antriebe im Umfeld hoher hygienischer Anforderungen, wo Produktkontaminationen mit Materialabrieb oder austretendem Schmiermittel nicht zulässig sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellengelenk, das aus zwei Zungengelenken aufgebaut ist. Aufgabe des Gelenks ist es, zwei Wellen mit winkeliger Achsabweichung drehbar miteinander zu verbinden. Das Gelenk überträgt sowohl ein Drehmoment als auch Axial- und Radialkräfte.
Die Vorteile des Wellengelenks mit doppelt gekreuzten Gelenkzungen gegenüber dem Stand der Technik sind:

1. Reibungs-, Verschleiß- und Wartungsfreiheit
2. Spielfreiheit
3. Keine Einleitung von Biegespannungen auf die Wellen

Die Nachteile des Standes der Technik sind

a) Wellengelenk mit Lagern, z. B. Kardangelenk:
Es besitzt zwei Gleit- oder Wälzlager, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Diese Lager verdrehen sich bei jeder Wellenumdrehung um den Abweichungswinkel (+/-α). D. h. die Lager erleiden eine hohe Anzahl von Verdrehungen mit sehr geringer Auslenkung. Dies führt bei Dauerbetrieb zum Verschleiß der Lager. Um den Verschleiß der einzelnen Lager zu minimieren, muss das Kardangelenk regelmäßig nachgeschmiert werden. Ungünstigerweise muss diese Wartung manuell vorgenommen werden, da das Kardangelenk im Regelfall durch eine zentrale Schmieranlage nicht erreichbar ist. Der Wartungsaufwand und der Austausch verschlissener Gelenke erhöhen die Betriebskosten.
In Einsatzbereichen mit hohen Hygieneanforderungen, beispielsweise Lebensmittel- oder pharmazeutische Produktion, ist ein Austreten von Schmiermitteln nicht zulässig. Deshalb sind in diesem Bereich aufwendige Vorkehrungen zu treffen.
b) Wellengelenk ohne Lager, z. B. Kardan-Gelenkscheibe (Hardi-Scheibe)
Diese ist eine gummielastische Scheibe, an deren Umfang sternförmige Enden der beiden Wellen das Drehmoment abgreifen. In der Regel weisen beide Sterne je drei "Zacken" auf. Bei jeder Wellenumdrehung verbiegt sich die Scheibe
am Umfang r um +/-r.sin α,
(r = Radius der Scheibe zwischen den Sternzacken, α = Abweichungswinkel der Wellen). Die Verbiegung führt einerseits zu Verschleiß im Gewebe der Scheibe und andererseits werden Biegekräfte in die Wellen eingeleitet. Je größer der Abweichungswinkel (α) ist, umso stärker ist der Verschleiß in der Scheibe und umso größer werden die Biegekräfte auf die Wellen. Die induziertren Biegewechselspannungen in den Wellen können letztendlich zu deren Bruch führen. Diese schädlichen Einflüsse können bei einem Abweichungswinkel (α) > 0° nur minimiert werden, indem die Scheibe in einer möglichst kleinen Dicke ausgeführt wird, dadurch wird aber das übertragbare Drehmoment reduziert. Folglich ist die Gelenkscheibe für eine Übertragung von Drehmomenten nur bei sehr geringen Abweichungswinkeln (α) geeignet.
c) Wellengelenk ohne Lager, z. B. Lamellenkupplung
Ähnliche gestaltet sich der Zusammenhang der auftretenden Kräfte und Spannungen bei der Lamellenkupplung, da auch hier die winkelige Abweichung (α) am Umfang aufgefangen werden muss. Die Lamellenkupplung ist also gleichermaßen nur für sehr kleine Abweichungswinkel (α) zulässig.

Ziel der Erfindung ist es, ein Wellengelenk zur Verfügung zu stellen, welches die oben diskutierten Nachteile nicht oder nur teilweise aufweist. Es soll die Fähigkeit besitzen, im Gegensatz zu herkömmlichen "lagerlosen" Wellengelenken, größere Drehmomente bei vergleichsweise großem Abweichungswinkel (α) zu übertragen. Dadurch kann es das Einsatzspektrum lagerloser Wellengelenke erweitern in Bereiche, die bisher den wartungsaufwendigen Kardangelenken vorbehalten waren.

Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das Wellengelenk (1), dargestellt in Fig. 1a bis 3, ist aus zwei Zungengelenken (2 ^I, 2 ^II) aufgebaut, deren Drehachsen (3 ^I, 3 ^II) um einen Winkel von 90° bezüglich der Wellenachsen (11 ^I, 11 ^II) versetzt sind. Dabei besteht jede der beiden Zungengelenke (2 ^I, 2 ^II) aus zwei oder mehr Gelenkzungen (4 ^I bis 4 ^IIX) und zwei Endstücken (5 ^I bis 5 ^IV), wobei die Gelenkzungen freie tragende Längen (8 ^I, 8 ^II) und eine Stärke (9 ^I, 9 ^II) aufweisen. Die Reihenfolge der Verbindungen lautet: Erste Welle (10 ^I), beispielsweise antriebsseitig (10 ^I) - erstes Zungengelenk (2 ^I) - zweites Zungengelenk (2 ^II) - zweite Welle (10 ^II), beispielsweise abtriebsseitig. Die beiden Zungengelenke (2 ^I, 2 ^II) sind an ihren Endstücken (5 ^II, 5 ^III) fest miteinander verbunden, ihre Drehachsen (3 ^I, 3 ^II) um 90° versetzt. Damit entspricht der Aufbau des erfindungsgemäßen Wellengelenks einem Kardangelenk aus dem Stand der Technik, mit dem Unterschied, dass die Lager durch Zungengelenke ersetzt sind.

Bei jeder Wellenumdrehung verdrehen sich die Wellengelenke um den Versatzwinkel α in beide Richtungen, d. h. die Gelenke führen oszillierende Drehbewegungen mit +/-α aus. Sind die Drehbewegungen auf kleine Auslenkungen begrenzt, so sind an dieser Stelle Zungengelenke (2 ^I, 2 ^II) geeignet. Die Gelenkzungen nehmen den Verdrehwinkel α als Verbiegung in den freien tragenden Längen (8) auf. Damit bei äußerer Krafteinwirkung, beispielsweise eine Druckkraft (16 ^I, 16 ^II) nicht ein Bauteil entweicht, muss eine Führung zwischen den beiden Bauteilen existieren. Diese Aufgabe übernimmt eine zweite, gekreuzt angeordnete Gelenkzunge. Damit ist bei jeder Auslenkung (α) die Lage der Endstücke (5 ^I, 5 ^IV) in Abhängigkeit vom Rotationswinkel (ω) zueinander definiert. Folglich weisen Zungengelenke bei kleinem Versatzwinkel (α) die gleichen kinematischen Eigenschaften auf wie Drehlager aus dem Stand der Technik.

Nach Anspruch 2 ist es vorteilhaft, wenn eine oder mehrere Gelenkzungen (15 etc.) in der Ebene der Hauptkräfte (16 ^I, 16 ^II) angeordnet sind, siehe Fig. 3. Dazu müssen die Hauptkräfte identifiziert werden. Diese können beispielsweise Tangentialkräfte (16 ^I, 16 ^II) entsprechend der Explosionszeichnung in Fig. 2 sein, die aus einem zu übertragendem Drehmoment resultieren. In diesem Fall werden vorteilhaft die beiden Hauptgelenkzungen (15 bzw. 15 ^I, 15 ^II) entlang der Tangentialkräfte (16 bzw. 16 ^I, 16 ^II) angeordnet. Diese Anordnung erhöht vorteilhaft die Steifigkeit des Gelenks in Richtung der Hauptkraft.

Nach Anspruch 3 ist es vorteilhaft, wenn die Gelenkzungen punktsymmetrisch bezüglich der Drehachse (11 ^I, 11 ^II) angeordnet sind, siehe Fig. 2. Dies hat zur Folge, dass bei Einleitung eines äußeren Drehmoments die Hauptgelenkzungen (15 ^I, 15 ^II) beide auf Zug oder beide auf Druck beansprucht werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Gelenkzungen bei der im Betrieb dominanten Drehmomentrichtung auf Zug beansprucht werden. Die dominante Drehmomentrichtung ist beispielsweise beim KFZ das Antriebsdrehmoment in den Vorwärtsgängen. Analog ist es bei einer Axialkraft sinnvoll, die Gelenkzungen auf Zug zu beanspruchen.

Der Vorteil von Zug- gegenüber Druckbeanspruchung ist darin begründet, dass unter Umständen die Drucksfestigkeit durch den ungünstigeren Lastfall Knickung herabgesetzt wird.

Nach Anspruch 4 ist es vorteilhaft, analog einem Kardangelenk die Drehachsen (3 ^I, 3 ^II) der beiden Zungengelenke (2 ^I, 2 ^II) in eine Ebene zu legen. Dadurch wird Unwucht verhindert und ein ruhiger Lauf auch bei höherer Drehzahl sichergestellt.

Nach Anspruch 5 ist es vorteilhaft, wenn mehrere Wellengelenke nach Anspruch 1 zu einem "großen Wellengelenk" kombiniert werden. Damit ist das Gelenk für größere Versatzwinkel (α) geeignet.

Nach Anspruch 6 ist es vorteilhaft, wenn die Haupt- und Nebengelenkzungen (15 ^ff, 17 ^ff) unterschiedlich in Stärke (9 ^I, 9 ^II) und freier tragender Länge (9 ^I, 9 ^II) ausgeführt sind, siehe Fig. 4. Je größer die Stärke der Gelenkzungen ist, umso größer ist die zulässige Kraft. Das Verhältnis von Stärke zu freier tragender Länge soll bei allen Gelenkzungen (15, 17) gleich sein, damit die Zug-Druckspannungen in den Randfasern die gleichen Werte annehmen.

Nach Anspruch 7 ist es vorteilhaft, die Kraftübertragung zwischen Endstück (5) und Gelenkzunge (4) durch zwei verschiedene Verbindungsarten herzustellen, da unterschiedliche Ansprüche an die Krafteinleitungsstelle gestellt werden, siehe Fig. 5.

a) Die gegenseitige Führung der Gelenkzungen erfordert eine exakt lagerichtige und stabile Fixierung der Gelenkzungen am Endstück. Diese wird durch die Klemmung der Gelenkzunge (4) zwischen Niederhalter (18) und Endstück (5) hergestellt. Die Klemmkraft kann durch einen Schraub- oder Nietbolzen (20) in Verbindung mit dem vorgespanntem Niederhalter erzeugt werden. Die Berührlinie (21) kennzeichnet den Übergang der Gelenkzunge vom Bereich der Klemmung zur freien tragenden Länge. Für eine einwandfreie Funktion des Gelenks muss die Berührlinie (21) eine Gerade über die Breite der Gelenkzunge sein, parallel zur Drehachse (3).
b) Ebenso muss die Krafteinleitungsstelle die aus den Hauptkräften (16 ^I, 16 ^II) resultierenden Schubkräfte übertragen. Zur Übertragung der Schubkräfte bieten sich folgende Verbindungsarten an:
- 1. Reibschluss, Schubkraft durch Vorspannung begrenzt;
- 2. Formschluss durch Schraub- oder Nietbolzen (20)
- 3. Fügeverbindung (19), beispielsweise Schweißpunkte, Löt- oder Klebeverbindung.

Vorteile der Fügeverbindung sind, dass die zulässigen Schubkräfte nicht durch die Vorspannkraft der Klemmverbindung begrenzt sind und dass bei der Montage alle Einzelteile exakte fixiert werden können. Dazu werden die Endstücke (5) in einer Montagevorrichtung ausgerichtet und anschließend die Gelenkzungen aufgelegt. Mit dem Festziehen der Klemmverbindung zentrieren sich die Gelenkzungen selbsttätig, so dass sie mittels Fügeverbindung mit den Endstücken verbunden werden können. Damit können Fertigungstoleranzen der Komponenten auf einfache Weise korrigiert werden.

Die Art der Fügeverbindung ist von der Wahl der Werkstoffe abhängig. Werden beispielsweise die Endstücke (5) aus Stahl und die Gelenkzungen (4) aus Federstahl gefertigt, so bietet sich eine Schweißverbindung an. Bei abweichenden Werkstoffpaarungen, beispielsweise Leichtmetall mit Federstahl, ist der Einsatz von Klebstoffen sinnvoll.

Nach Anspruch 8 ist es sinnvoll, das Wellengelenk (1) mit einem ebenfalls lagerlosen Längenausgleichselement (22) zu kombinieren, um auch diese Funktion mit einem wartungsfreien Element zu realisieren.

Nach Anspruch 9 ist es sinnvoll, das Längenausgleichselement (22) aus mehreren Tellerfedern (23 ^ff) oder ähnlichen Elementen aufzubauen. Die Tellerfedern bzw. Einzelelemente müssen dabei kraftschlüssig miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Reibschweißen oder Kondensatentladungsschweißen.

Claims

1. Die Erfindung betrifft ein Wellengelenk (1), das zwei Wellen (10 ^I, 10 ^II) miteinander verbindet und eine winkelige Abweichung (α) der Wellen ermöglicht. Das Gelenk kann Drehmomente, Axial- und Radialkräfte übertragen. Das Gelenk ist dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Wellengelenk (1) aus zwei Zungengelenken (2 ^I, 2 ^II) besteht, deren Drehachsen (3 ^I, 3 ^II) um einen Winkel von 90° bezüglich der Wellenachsen (11 ^I, 11 ^II) versetzt sind;

b) jedes Zungengelenk (2 ^I, 2 ^II) aus zwei oder mehr Gelenkzungen (4 ^I bis 4 ^IIX) und zwei Endstücken (5 ^I bis 5 ^IV) besteht und die Gelenkzungen freie tragende Längen (8) und eine Stärke (9) aufweisen;

c) jedes Zungengelenk (2 ^I, 2 ^II) an jeweils einem Endstück (5^I 5^IV) mit einer Welle (10 ^I, 10 ^II) fest verbunden ist, und zugleich die beiden mittleren Endstücke (5 ^II, 5 ^III) miteinander fest verbunden sind;

d) jede der beiden Drehachsen (3 ^I, 3 ^II) im rechten Winkel zur Achse (11 ^I, 11 ^II) der Welle (10 ^I, 10 ^II) steht, mit der es verbunden ist;

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Gelenkzungen (15 ^I, 15 ^II) längs der auftretenden Hauptkräfte (16 ^I, 16 ^II) angeordnet sind. Diese Anordnung gilt für beide Zungengelenke (2 ^I, 2 ^II) gleichermaßen. Hauptkräfte sind beispielsweise Tangentialkräfte, die aus dem zu übertragendem Drehmoment resultieren. In diesem Fall sind die Haupt-Gelenkzungen in einer Ebene senkrecht zu den Wellenachsen angeordnet.

3. Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Haupt-Gelenkzungen (15 ^I, 15 ^II) punktsymmetrisch angelenkt werden bezüglich der Wellenachse (11 ^I, 11 ^II). Dies hat zum Effekt, dass die Haupt-Gelenkzungen (15 ^I, 15 ^II) bei Einleitung eines Drehmoments beide auf Zug oder beide Druck beansprucht werden.

4. Gelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (3 ^I, 3 ^II) der beiden Zungengelenke (2 ^I, 2 ^II) in einer Ebene liegen.

5. Gelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein "großes" Wellengelenk aus einer Serienschaltung mehrerer Gelenke nach Anspruch 1 besteht.

6. Gelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptzungen (15) bezüglich ihrer Stärke (9 ^I) und freier tragender Länge (8 ^I) größer ausgeführt werden als die Nebenzungen (17) mit (9 ^II) und (8 ^II).

7. Gelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Gelenkzungen (4) an den Endstücken (5) aus zwei separaten Einzelverbindungen mit unterschiedlichen Aufgaben besteht.

a) Die Gelenkzunge (4) wird an der Einspannstelle zwischen einem Endstück (5) und zugehörigen Niederhalter (18) geklemmt. Damit wird die korrekte Lage festgelegt.

b) Kraftschlüssige Verbindung (19) zwischen Gelenkzunge (4) und Endstück (5), durch Formschluss oder Fügeverbindung. Die Fügeverbindung kann als Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindung ausgeführt sein und stellt die Übertragung der Schubkräfte sicher.

8. Gelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengelenk (1) mit einem ebenfalls gelenklosen Längenausgleichselement (22) kombiniert wird.

9. Gelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenausgleichselement (22) aus mehreren in Serie angeordneten Tellerfederelementen (23 ^ff) besteht, die zur Drehmomentübertragung kraftschlüssige miteinander verbunden sind.