DE102009041086A1

DE102009041086A1 - Tripodestern und Tripodegelenk

Info

Publication number: DE102009041086A1
Application number: DE102009041086A
Authority: DE
Inventors: Marco Zornhagen; Alexander Mick
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Ein Tripodestern umfasst eine Nabe (11) mit einer Drehachse (A), sowie mehrere Zapfen (13), die im Wesentlichen radial von der Nabe (11) abstehen. Jeder Zapfen (13) weist eine Längsachse (Z) auf. Die Längsachsen (Z) der Zapfen (13) spannen eine Ebene (E) senkrecht zur Drehachse (A) der Nabe (11) auf. Jeder Zapfen (13) bildet eine ballige Umfangsfläche (13a) aus. Eine erste Mantellinie der balligen Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) berührt in einer durch die Längsachsen (Z) der Zapfen (13) aufgespannten Ebene (E) auf Höhe des größten Durchmessers (D) des Zapfens (13) einen größten Inkreis, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse (Z) des Zapfen (13) liegt. Die erste Mantellinie verläuft im Übrigen außerhalb dieses Inkreises. Eine zweite Mantellinie der balligen Umfangsfläche (13a) des Zapfens (13) verläuft in einer zweiten Ebene (F), welche senkrecht zur erstgenannten Ebene (E) steht und die Längsachse (Z) dieses Zapfens (13) enthält, zwischen der in die zweite Ebene (E) projizierten ersten Mantellinie und dem größten Inkreis (I) oder auf letzterem. Dies ermöglicht eine Leistungssteigerung eines Tripodegelenks bei konstanten Abmessungen bzw. eine Baugrößenreduzierung bei gleicher Leistungsfähigkeit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Tripodegelenke und insbesondere auf einen Tripodestern eines solchen, der eine Nabe mit einer Drehachse und mehrere, im Wesentlichen radial von der Nabe abstehende Zapfen mit jeweils einer balligen Umfangsfläche umfasst, wobei jeder Zapfen eine Längsachse aufweist und die Längsachsen der Zapfen eine Ebene senkrecht zur Drehachse der Nabe aufspannen.
Ein derartiger Tripodestern ist beispielsweise aus der EP 1 008 777 B1 bekannt. Dort wird unter anderem eine ballige Umfangsfläche mit einer aus drei Teilabschnitten zusammengesetzten Mantellinie offenbart, wobei die Mantellinie im Bereich des größten Durchmessers der balligen Umfangsfläche einen größeren Radius aufweist, als die benachbarten Abschnitte. Die Mantellinie ist über den Umfang der balligen Umfangsfläche konstant, d. h. die ballige Umfangsfläche ist rotationssymmetrisch zur Längsachse des jeweiligen Zapfens.
In einer weiteren Ausführung wird in der EP 1 008 777 B1 vorgeschlagen, den Querschnitt der balligen Umfangsfläche senkrecht zur Längsachse eines Zapfens elliptisch auszugestalten, wobei die längere Hauptachse quer zu Umfangsrichtung des Tripodesterns, das heißt parallel zu dessen Drehachse verläuft.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktverhältnisse zwischen einem Tripodestern und einem Rollelement eines Tripodegelenks im Hinblick auf eine Leistungssteigerung bei konstanten Abmessungen zu verbessern bzw. eine Baugrößenreduzierung bei gleicher Leistungsfähigkeit zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Tripodestern gemäß Patentanspruch 1, durch einen Tripodestern gemäß Patentanspruch 13 sowie durch ein Tripodegelenk gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
Der erfindungsgemäße Tripodestern zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine erste Mantellinie der balligen Umfangsfläche eines Zapfens in einer durch die Längsachsen der Zapfen aufgespannten Ebene auf Höhe des größten Durchmessers des Zapfens einen größten Inkreis berührt, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse des Zapfens liegt, und die erste Mantellinie im übrigen außerhalb dieses Inkreises verläuft. Gleichzeitig verläuft eine zweite Mantellinie der balligen Umfangsfläche des Zapfens in einer zweiten Ebene, welche senkrecht zur erstgenannten Ebene steht und die Längsachse dieses Zapfens enthält, zwischen der in die zweite Ebene projizierten ersten Mantellinie und dem größten Inkreis oder entspricht letzterem.
Durch die erfindungsgemäße Kontur der balligen Umfangsfläche, welche im Vergleich zu einer streng kugelförmigen balligen Umfangsfläche in Umfangsrichtung des Tripodesterns eine Materialzunahme bedeutet, wird die Hertzsche Pressung in der Hauptkraftrichtung des Gelenks deutlich reduziert. Hierdurch lassen sich höhere Kräfte übertragen, so dass die Zapfen mit kleinerem Maximaldurchmesser ausgeführt werden können. Dies gestattet wiederum die Verwendung kleinerer Rollelemente, was letztlich zu kleineren Außenabmessungen eines Tripodegelenks führt. Selbstverständlich kann die Erfindung auch dazu genutzt werden, dass maximal übertragbare Drehmoment bei gleichen Abmessungen zu erhöhen oder aber durch eine Kombination von Baugrößenverminderung und Drehmomenterhöhung ein leistungsfähigeres Gelenk zu schaffen, das eine verbesserte Lebensdauer aufweist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass in Hauptkraftrichtung eine engere Schmiegung zwischen der balligen Umfangsfläche und dem zugehörigen Rollelement erzielt wird, als bei einer streng kugelförmigen balligen Umfangsfläche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Querschnittsansicht eines Tripodegelenks nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Seitenansicht des Tripodesterns,
3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2,
4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 2,
5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 2,
6 einen Längsschnitt durch einen Zapfen in der durch die Längsachsen der Zapfen aufgespannten Ebene E,
7 einen Längsschnitt durch einen Zapfen in einer die Längsachse enthaltenden, zur ersten Ebene E senkrechten zweiten Ebene F, und in
8 eine Detailansicht eines Zapfens in räumlicher Darstellung.
Das anhand der 1 bis 8 dargestellte Tripodegelenk 1 umfasst ein Gelenkinnenteil in Form eines Tripodesterns 10 mit einer ringförmigen Nabe 11 und drei von dieser abstehenden Zapfen 13. Die Nabe 11 weist eine zur Drehachse A des Tripodesterns 10 koaxiale Durchgangsöffnung mit einer Innenverzahnung 12 auf. Die Zapfen 13 sind in Umfangsrichtung gleichbeabstandet. An jedem Zapfen 13 ist eine ballige Umfangsfläche 13a ausgebildet. Die Längsachsen Z verlaufen im Wesentlichen radial zur Gelenkdrehachse A des Tripodesterns 10 und liegen in einer gemeinsamen Ebene E.
Weiterhin umfasst das Tripodegelenk 1 drei Rollelemente 14. Jedes Rollelement 14 weist einen Außenring 15 und einen Innenring 16 auf, die über Wälzkörper 17 zueinander drehbar sind. Die Rollelemente 14 sind jeweils mit einer Innenumfangsfläche 18 des Innenrings 16 an einem Zapfen 13 bzw. dessen balliger Umfangsfläche 13a schwenkbar gelagert. Sie weisen ferner am Außenring 15 eine profilierte, rotationssymmetrische Außenumfangsfläche 19 auf. Die Innenumfangsfläche 18 des Innenrings 16 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und steht mit der balligen Umfangsfläche 13a des Zapfens 13 derart in Kontakt, dass bei einer Beugung des Gelenks 1 der Innenring 16 gegenüber der Längsachse Z des zugehörigen Zapfens 13 verkippt werden kann. Zudem ist eine axiale Verschiebbarkeit in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 13 gegeben.
Das Tripodegelenk 1 umfasst weiterhin ein Gelenkaußenteil 20, das an seinem Innenumfang parallel zu seiner Drehachse B verlaufende Laufbahnpaare mit einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Laufflächen 21 aufweist. Diese Laufflächen 21 stehen mit den Außenumfangsflächen 19 der Rollelemente 14 in Eingriff, wobei je nach Drehrichtung und Betriebssituation eine der Laufflächen 21 lasttragend und die gegenüberliegende Lauffläche 21 im Wesentlichen entlastet ist. Entsprechendes gilt für die in Umfangsrichtung des Tripodesterns weisenden Kontaktbereiche der balligen Umfangsflächen 13a der Zapfen 13.
Die Laufflächen 21 am Gelenkaußenteil 20 verlaufen jeweils parallel zur Drehachse des Gelenkaußenteils B. Durch eine Profilierung sowohl der Laufflächen 21 am Gelenkaußenteil 20 als auch der Außenumfangsflächen 19 an den Rollelementen 14 wird bewirkt, dass bei einer Drehung des Gelenks 1 unter Beugung der Bauteilachsen A und B zueinander die Rollelemente 14 achsparallel zur Drehachse B des Gelenkaußenteils 20 hin und her bewegt werden. Der hierfür benötigte Schwenkfreiheitsgrad wird zwischen den Zapfen 13 und den Lagerinnenringen 16 der Rollelemente 14 bereitgestellt, da die Zapfen 13 an den balligen Umfangsflächen 13a zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sind.
Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Tripodegelenks, d. h. des Drehmomentübertragungsvermögens in Bezug auf die Außenabmessungen sind die balligen Umfangsflächen 13a der Zapfen 13 in der nachfolgend näher erläuterten Art und Weise geformt.
Wie 6 zeigt, weist die ballige Umfangsfläche 13a eines Zapfens 13 in einer durch die Längsachsen Z der Zapfen 13 aufgespannten ersten Ebene E eine erste Mantellinie s₁ auf, die außerhalb eines größten Inkreises I liegt. Der Inkreis I erstreckt sich innerhalb des Zapfens 13 in der Ebene E. Sein Mittelpunkt M_I liegt auf der Längsachse Z auf Höhe des größten Durchmessers D des Zapfens 13. Lediglich auf Höhe des größten Durchmessers D des Zapfens 13 berührt die Mantellinie s₁ den Inkreis I.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Mantellinie s₁ in der durch die Längsachsen Z der Zapfen 13 aufgespannten Ebene E ein Kreisbogen, dessen Mittelpunkt M_s1 jenseits der Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 13 liegt. Jedoch kann die erste Mantellinie s₁ auch durch eine andere kontinuierliche Kurve dargestellt werden, welche die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt. Möglich ist insbesondere eine kontinuierliche Kurve mit variablem Radius.
Der Radius R₁ des Kreisbogens der ersten Mantellinie s₁ beträgt das 1,5 bis 5-fache, vorzugsweise das 1,9 bis 2,5-fache des maximalen Abstands der ersten Mantellinie s₁ von der Längsachse Z.
Die ballige Umfangsfläche 13a ist nicht rotationssymmetrisch. Wie 7 zeigt, verläuft eine zweite Mantellinie s₂ der balligen Umfangsfläche 13a des Zapfens 13 in einer zweiten Ebene F, welche senkrecht zur erstgenannten Ebene E steht und die Längsachse Z dieses Zapfens 13 enthält, zwischen der in die zweite Ebene F projizierten ersten Mantellinie s₁ und dem größten Inkreis I. Sie kann auch dem Inkreis I entsprechen. In 7 ist weiterhin der Radius r₁ des Inkreises sowie dessen Mittelpunkt M_I eingezeichnet.
Auch die zweite Mantellinie s₂ kann durch einen Kreisbögen definiert sein, wie dies in 7 beispielhaft dargestellt ist. Jedoch kann die zweite Mantellinie s₂ auch durch eine andere kontinuierliche Kurve dargestellt werden, welche die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt.
Im Falle eines Kreisbogens beträgt der Radius R₂ der zweiten Mantellinie s₂ das 1,0 bis 2,5-fache, vorzugsweise das 1,0 bis 1,5-fache des maximalen Abstands der zweiten Mantellinie s₂ von der Längsachse Z.
In den 3 bis 5 sind Schnitte durch die ballige Umfangsfläche 13 eines Zapfens 13 senkrecht zur Längsachse Z dargestellt. 4 repräsentiert dabei einen Schnitt auf Höhe des größten Durchmessers D des Zapfens 13. Es ist unschwer erkennbar, dass der Außenrand des Zapfens 13 in dieser Schnittebene kreisförmig ist. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann der Außenrand jedoch auch abschnittsweise innerhalb dieses Kreises liegen, beispielsweise um Schmiermittelnuten und dergleichen unterzubringen.
In Schnittebenen radial innerhalb und radial außerhalb des größten Durchmessers D des Zapfens 13 ist der Außenrand in der jeweiligen Schnittebene elliptisch, wie dies in den 3 und 5 dargestellt ist. Die Hauptachse X einer solchen Ellipse verläuft in der ersten Ebene E, die Nebenachse Y in der zweiten Ebene F. Die Länge l_X der Hauptachse X ist größer als die Länge l_y der Nebenachse Y. Das maximale Längenverhältnis ε von Hauptachse X zu Nebenachse Y einer Ellipse an einer balligen Umfangsfläche 13a liegt im Bereich von 1,01 bis 1,15, vorzugsweise im Bereich von 1,01 bis 1,05.
Hierdurch ergibt sich die in 8 dargestellte Form einer balligen Umfangsfläche 13a mit in Hauptkraftrichtung optimierter Hertzscher Pressung. Außerhalb der Schnittebene mit dem größten Durchmesser D, in der Radius R auf die Mantellinie balligen Umfangsfläche 13a in der Schnittebene konstant ist, nimmt die Achslänge von der Nebenachse Y zu der Hauptachse X zu, wie dies in 8 zu erkennen ist. Diese Zunahme erfolgt kontinuierlich und kann auch von einer streng mathematischen Definition einer Ellipse abweichen. Soweit vorstehend der Begriff ”Ellipse” verwendet wird, ist derselbe in diesem weiteren Sinne zu verstehen.
Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alle durch die Ansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste

1: Tripodegelenk
10: Tripodestern
11: Nabe
12: Innenverzahnung
13: Zapfen
13a: Umfangsfläche
14: Rollelement
15: Außenring des Rollelements
16: Innenring des Rollelements
17: Wälzkörper
18: Innenumfangsfläche des Rollelements
19: Lauffläche am Außenumfang des Rollelements
20: Gelenkaußenteil
21: Lauffläche des Gelenkaußenteils
A: Drehachse des Tripodesterns
B: Drehachse des Gelenkaußenteils
D: größter Durchmesser des Zapfens im Bereich der balligen Umfangsfläche
E: erste Ebene, aufgespannt durch die Längsachsen der Zapfen
F: zweite Ebene, senkrecht zur ersten Ebene und enthaltend eine Längsachse eines Zapfens Inkreis
lx: Länge der Hauptachse
ly: Länge der Nebenachse
MI: Mittelpunkt des in Kreises
Ms1: Krümmungsmittelpunkt der ersten Mantellinie
Ms2: Krümmungsmittelpunkt der zweiten Mantellinie
R: Radius auf die Mantellinie in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse eines Zapfens
r1: Radius des Inkreises
R1: Krümmungsradius der ersten Mantellinie in der ersten Ebene E
R2: Krümmungsradius der zweiten Mantellinie in der zweiten Ebene F
s1: erste Mantellinie in der ersten Ebene E
s2: zweite Mantellinie in der zweiten Ebene F
X: Hauptachse (in der ersten Ebene E)
Y: Nebenachse (in der zweiten Ebene F)
Z: Längsachse des Zapfens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1008777 B1 [0002, 0003]

Claims

Tripodestern, umfassend: – eine Nabe (11) mit einer Drehachse (A), und – mehrere Zapfen (13), die im Wesentlichen radial von der Nabe (11) abstehen, wobei jeder Zapfen (13) eine Längsachse (Z) aufweist und die Längsachsen (Z) der Zapfen (13) eine Ebene (E) senkrecht zur Drehachse (A) der Nabe (11) aufspannen, und wobei jeder Zapfen (13) eine ballige Umfangsfläche (13a) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, – dass eine erste Mantellinie (s₁) der balligen Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) in einer durch die Längsachsen (Z) der Zapfen (13) aufgespannten Ebene (E) auf Höhe des größten Durchmessers (D) des Zapfens (13) einen größten Inkreis (I) berührt, dessen Mittelpunkt (M_I) auf der Längsachse (Z) des Zapfens (13) liegt, und die erste Mantellinie (s₁) im übrigen außerhalb dieses Inkreises (I) verläuft, und – dass eine zweite Mantellinie (s₂) der balligen Umfangsfläche (13a) des Zapfens (13) in einer zweiten Ebene (F), welche senkrecht zur erstgenannten Ebene (E) steht und die Längsachse (Z) dieses Zapfens (13) enthält, zwischen der in die zweite Ebene (E) projizierten ersten Mantellinie (s₁) und dem größten Inkreis (I) verläuft oder letzterem entspricht.
Tripodestern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mantellinie (s₁) durch einen Kreisbogen definiert ist.
Tripodestern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mantellinie (s₁) in der durch die Längsachsen (Z) der Zapfen (13) aufgespannten Ebene (E) ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt (M_s1) jenseits der Längsachse (Z) des jeweiligen Zapfens (13) liegt.
Tripodestern nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R₁) des Kreisbogens der ersten Mantellinie (s₁) das 1,5 bis 5-fache des maximalen Abstands der ersten Mantellinie (s₁) von der Längsachse (Z) beträgt.
Tripodestern nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R₁) des Kreisbogens der ersten Mantellinie (s₁) das 1,9 bis 2,5-fache des maximalen Abstands der ersten Mantellinie (s₁) von der Längsachse (Z) beträgt.
Tripodestern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mantellinie (s₂) durch einen Kreisbogen definiert ist.
Tripodestern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R₂) des Kreisbogens der zweiten Mantellinie (s₂) das 1,0 bis 2,5-fache des maximalen Abstands der zweiten Mantellinie (s₂) von der Längsachse (Z) beträgt.
Tripodestern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R₂) des Kreisbogens der zweiten Mantellinie (s₂) das 1,0 bis 1,5-fache des maximalen Abstands der zweiten Mantellinie (s₂) von der Längsachse (Z) beträgt.
Tripodestern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ballige Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse (Z) des Zapfens (13) einen Außenrand aufweist, der auf einem Kreis um die Längsachse (Z) liegt.
Tripodestern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ballige Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse (Z) des Zapfens (13) einen Außenrand aufweist, der auf einem Kreis um die Längsachse (Z) sowie abschnittsweise innerhalb dieses Kreises liegt.
Tripodestern nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einer balligen Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) weitere Schnittebenen senkrecht zur Längsachse (Z) des Zapfens existieren, in denen der Außenrand der balligen Umfangsfläche (13a) auf einer Ellipse liegt, deren Hauptachse (X) in der ersten Ebene (E) und deren Nebenachse (Y) in der zweiten Ebene (F) liegt, wobei die Länge (l_x) der Hauptachse (X) größer ist als die Länge (l_y) der Nebenachse (Y).
Tripodestern nach Anspruche 11, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Längenverhältnis (ε) von Hauptachse (X) zu Nebenachse (Y) einer Ellipse an einer balligen Umfangsfläche im Bereich von 1,01 bis 1,15, vorzugsweise im Bereich von 1,01 bis 1,05 liegt.
Tripodestern, umfassend: – eine Nabe (11) mit einer Drehachse (A), und – mehrere Zapfen (13), die im Wesentlichen radial von der Nabe (11) abstehen, wobei jeder Zapfen (13) eine Längsachse (Z) aufweist und die Längsachsen (Z) der Zapfen (13) eine Ebene (E) senkrecht zur Drehachse (A) der Nabe (11) aufspannen, und wobei jeder Zapfen (13) eine ballige Umfangsfläche (13a) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, – dass die ballige Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) eine erste Schnittebene senkrecht zur Längsachse (Z) des Zapfens (13) aufweist, in der der Außenrand der balligen Umfangsfläche (13a) auf einem Kreis um die Längsachse (Z) liegt oder auf einem Kreis um die Längsachse (Z) sowie abschnittsweise innerhalb dieses Kreises liegt, und – dass an der balligen Umfangsfläche (13a) eines Zapfens (13) weitere Schnittebenen senkrecht zur Längsachse (Z) des Zapfens (13) existieren, in denen der Außenrand der balligen Umfangsfläche (13a) auf einer Ellipse liegt, deren Hauptachse (X) in der ersten Ebene (E) und deren Nebenachse (Y) in der zweiten Ebene (F) liegt, wobei die Länge (lx) der Hauptachse (X) größer ist als die Länge (ly) der Nebenachse (Y).
Tripodestern nach Anspruche 13, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Längenverhältnis (ε) von Hauptachse (X) zu Nebenachse (Y) einer Ellipse an einer balligen Umfangsfläche im Bereich von 1,01 bis 1,15, vorzugsweise im Bereich von 1,01 bis 1,05 liegt.
Tripodegelenk, umfassend: – einen Tripodestern (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, – an den Zapfen (13) gelagerte Rollelemente (14), und – ein Gelenkaußenteil (20), an dem die Rollelemente (14) axial geführt sind.