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Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk, insbesondere für eine Gelenkwelle eines Kraftwagens, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
EP 1 213 502 A1 offenbart ein Kreuzgelenk mit Gabeln, durch welche eine Lageröffnung ausgeformt ist. Ferner umfasst das Kreuzgelenk ein Wellenkreuz, welches drehbar über ein Rollenlager in den jeweiligen Lageröffnungen aufgenommen ist. An dem Wellenkreuz ist ein Kontaktbereich ausgebildet, über welchen es das Rollenlager kontaktiert, wobei der Kontaktbereich einen äußeren Durchmesser aufweist, welcher größer ist als ein äußerer Durchmesser des Wellenkreuzes außerhalb des Kontaktbereiches.
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Aus der
DE 1 122 781 ist ein Kardangelenk mit Kreuzzapfen als bekannt zu entnehmen, wobei die Kreuzzapfen in den Lagerbuchsen der Gelenkgabel mit zylindrischen Nadeln gelagert sind, und bei denen die Lagerflächen der Zapfen und die Lagerbüchsen im Längsschnitt geradlinig sind. Es ist vorgesehen, dass die Lagerflächen der Zapfen im Bereich der Lagerbuchse zum freien Ende der Zapfen hin einen etwas größeren Abstand zu den Nadeln haben, als zum Zapfenhals hin, so dass bei Leerlauf die Nadel nur am Zapfenhals und bei Volllast in Folge der Verformung der Lenkteile auf ihrer ganzen Länge tragen.
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Die bekannten Kreuzgelenke weisen weiteres Potential auf, ihre Betriebsfestigkeit zu verbessern. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kreuzgelenk der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine erhöhte Betriebsfestigkeit sowie gleichzeitig einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kreuzgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solches Kreuzgelenk, insbesondere für eine Gelenkwelle eines Kraftwagens, umfasst ein erstes Gelenkteil sowie ein zweites Gelenkteil. Die Gelenkteile sind unter Vermittlung zumindest eines Zwischenteils um jeweilige Schwenkachsen schwenkbar miteinander verbunden, wobei das Zwischenteil und die Gelenkteile über jeweilige, miteinander zusammenwirkende Oberflächenkonturen verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine der Oberflächenkonturen wenigstens bereichsweise einen zumindest im Wesentlichen ovalen, von einem Kreisquerschnitt abweichenden Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten ist der Querschnitt der Oberflächenkonturen von einem kreisrunden Querschnitt unterschiedlich.
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Die Ovalität ist dabei bevorzugt in Übertragungsrichtung ausgebildet. Dies bedeutet, dass zumindest eine der Oberflächenkonturen wenigstens einen Bereich aufweist, welcher gegenüber zumindest einem weiteren Bereich der Oberflächenkontur abgeflacht ist, wobei beim Übertragen eines Drehmoments über das Kreuzgelenk eine Kraftübertragung zumindest im Wesentlichen über diesen abgeflachten Bereich vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße Kreuzgelenk weist somit in Folge der Ausgestaltung der Oberflächenkonturen eine besondere Mikrogeometrie auf, durch welche Flächenpressungsspitzen beim Betrieb des Kreuzgelenks zum Übertragen von Drehmomenten reduziert sind, sowie eine gleichmäßige Flächenpressung dargestellt ist. Daraus resultiert eine sehr hohe Betriebsfestigkeit des erfindungsgemäßen Kreuzgelenks. Gleichzeitig kann in Folge der Reduzierung der Belastung für das Kreuzgelenk und die daraus resultierende Betriebsfestigkeit der Bauraumbedarf des Kreuzgelenks auch bei Übertragung sehr hoher Drehmomente gering gehalten werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Kreuzgelenk bei Wellen, insbesondere bei Kardanwellen zur Übertragung sehr hoher Drehmomente von leistungs- und/oder drehmomentstarken Motoren, beispielsweise zum Antreiben von Rädern eines Kraftwagens, eingesetzt wird.
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Der geringe Bauraumbedarf des erfindungsgemäßen Kreuzgelenks führt zur Lösung oder zur Vermeidung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum oder in einem Bereich einer Aufhängung des Kraftwagens. Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Kreuzgelenk sowohl bei zweirad- als auch bei allradgetriebenen Kraftwagen einzusetzen, wobei auch der Einsatz einheitlicher Rohbauten und/oder einheitlicher Getriebe über beispielsweise Automatikgetriebe oder Verteilergetriebe ermöglicht ist.
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Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Kreuzgelenk ein besonders geringes Gewicht sowie geringe Kosten auf, da die Erhöhung der Betriebsfestigkeit durch die entsprechende Ausgestaltung der Mikrogeometrie bzw. der Oberflächenkonturen realisiert und somit ein unerwünscht hoher Materialeinsatz vermieden ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Kreuzgelenks für eine Gelenkwelle eines Personenkraftwagens;
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2 eine schematische Perspektivansicht des Kreuzgelenks gemäß 1;
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3 eine schematische Schnittansicht des Kreuzgelenks gemäß den vorhergehenden Figuren;
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4 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Kreuzgelenks gemäß den vorhergehenden Figuren;
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5a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht eines Zapfens einer alternativen Ausführungsform des Kreuzgelenks gemäß den vorhergehenden Figuren;
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6a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–b;
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7a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–6b;
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8a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–7b;
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9a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–8b;
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10a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–9b;
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11a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–10b;
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12a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß 5a–11b; und
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13a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zapfens gemäß den 5a–12b.
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Die 1 bis 4 zeigen ein Kreuzgelenk 10 für eine Kardanwelle, welches unter einem zumindest nahezu konstanten Beugewinkel von ca. 4° betrieben wird. Das Kreuzgelenk 10 umfasst eine erste Gelenkgabel 12 sowie eine zweite Gelenkgabel 14, welche unter Vermittlung eines Gelenksterns 16 miteinander verbunden sind. Die Gelenkgabeln 12, 14 weisen jeweilige Aufnahmen 17 auf, in welchen Gelenkbüchsen 18 mit Nadeln 20 als Lagerkörper angeordnet sind.
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Dadurch sind die Gelenkgabeln 12 und 14 um jeweilige, zumindest im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufende Schwenkachsen 38 und 40 zur Darstellung des entsprechenden Bewegwinkels schwenkbar.
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In den Gelenkbüchsen 18 mit den Nadeln 20 sind Zapfen 22 der Gelenkgabel 16 aufgenommen. Zur Verringerung der Reibung sind die Gelenkbüchsen 18 mit einem Schmierfett gefüllt. Auf Seiten des Gelenksterns 16 ist ein jeweiliger Dichtring 24 vorgesehen, der ein unerwünschtes Austreten des Schmierfetts verhindert. Bei der Montage des Kreuzgelenks 10 werden die Gelenkbüchsen 18 von außen in die als Bohrungen ausgebildeten Aufnahmen 17 gepresst und nach einer Zentrierung zur dauerhaften Fixierung verstemmt.
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Während des Betriebs des Kreuzgelenks 10 wälzen die Nadeln 20 in der Gelenkbüchse 18 in einer oszillierenden Bewegung auf dem Gelenkstern 16 bzw. den mit diesem einstückig ausgebildeten Zapfen 22 ab und übertragen Betriebskräfte bzw. Betriebsmomente von einer der Gelenkgabeln 12, 14 über den Gelenkstern 16 auf die entsprechend andere Gelenkgabel 14 oder 12. Die als Bohrung ausgebildete Aufnahmen 17 in den Gelenkgabeln 12, 14 haben eine zumindest im Wesentlichen kreiszylindrische Geometrie.
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Zum Übertragen der Betriebskräfte bzw. Betriebsdrehmomente weisen die Gelenkgabeln 12, 14 jeweilige Verzahnungen 26, 28 auf.
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Um einerseits eine sehr hohe Betriebsfestigkeit des Kreuzgelenks 10 darzustellen und andererseits den Bauraumbedarf des Kreuzgelenks 10 gering zu halten, ist die Mikrogeometrie des Kreuzgelenks 10 entsprechend angepasst. Die Zapfen 22 weisen eine jeweilige Oberflächenkontur 30 auf, die mit einer korrespondierenden Oberflächenkontur 32, welche durch die entsprechenden Nadeln 20 gebildet ist, zusammenwirken, um die Betriebskräfte bzw. die Betriebsdrehmomente zu übertragen.
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Anhand den folgenden Figuren sind mögliche Oberflächenkonturen 30 der Zapfen 22 anhand einer der Oberflächenkonturen 30 eines der Zapfen 22 dargestellt.
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Wie den 5a und 5b zu entnehmen ist, ist der Zapfen 22 und damit die Oberflächenkontur 30 leicht keglig geschliffen, wobei es sich die Oberflächenkontur 30 in radialer Richtung gemäß einem Richtungspfeil 34 des Gelenksterns 16 nach außen hin verjüngt. Damit weicht die Außenkontur 30 von einer kreisrunden Zylinderform ab, wobei diese Abweichung durch ein Maß X in der 5a dargestellt ist. Diese Abweichung X liegt dabei beispielsweise im Winkelsekundenbereich und beträgt wenige Mikrometer.
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Die 6a und 6b zeigen den Zapfen 22, welcher zumindest in einem Übertragungsbereich in welchem über den bzw. die Zapfen 22 die Betriebskräfte bzw. Drehmomente übertragen werden, ballig geschliffen ist und eine Balligkeit aufweist, welche durch ein Maß A verdeutlich ist. Die Balligkeit bzw. das Maß A liegt im Mikrometerbereich und führt insbesondere bei hohen Drehmomenten zu einer gleichmäßigen Verteilung der Flächenpressung. Durch die Höhe der Balligkeit kann entsprechend festgelegt werden, bei welchen Drehmomenten ein Optimum erreicht werden soll. Auch kann im Einzelfall durch Einstellung eines gezielten Offsets des Balligkeitsmaximums von der Kraftübertragungsmitte (Maß Off) eine weitere Verbesserung erreicht werden.
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In den 7a–b ist eine weitere Ausführungsform des Zapfens 22 des Gelenksterns 16 dargestellt. Die Oberflächenkontur 30 des Zapfens 22 gemäß den 7a–b stellt eine Kombination der Ausführungsformen gemäß den 5a–b und 6a–b dar. Mit anderen Worten ist der Zapfen 22 und damit die Oberflächenkontur 30 ballig – keglig geschliffen. In radialer Richtung des Gelenksterns 16 gemäß dem Richtungspfeil 34, welche der axialen Richtung des Zapfens 22 entspricht, geht die Balligkeit von radial innen nach radial außen in einer keglige Fläche über. Durch diese Ausführungsform kann vor allem bei hohen Lasten eine gleichmäßige Flächenpressung erreicht werden. Bei den Ausführungsformen des Zapfens 22 bzw. der Oberflächenkontur 30 gemäß 5a–b bis 7a–b ist die Oberflächenkontur 30 jeweils symmetrisch bzw. konzentrisch zur bzw. um eine Mittellinie 36 des Zapfens 22. Die Oberflächenkonturen 30 lassen sich dabei auf einfache Art und Weise auf einer Schleifmaschine darstellen, wobei Schleifscheiben der Schleifmaschine entsprechend winkelig eingestellt bzw. nur winklig und/oder ballig abgerichtet werden.
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Die 8a–b zeigen eine Ausführungsform des Zapfens 22 bzw. dessen Oberflächenkontur 30, bei welcher der kegeligen Grundform gemäß den 5a–b eine ovale Form in Umfangsrichtung überlagert ist. Durch diese zusätzliche Ovalität ist eine Flächenpressung auf der Zapfenmantellinie (in der Draufsicht) sehr füllig, was mit einer geringen Belastung des Zapfens 22 und damit des Kreuzgelenks 10 einhergeht.
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Die 9a–b zeigen eine weitere Ausführungsform des Zapfens 22 und dessen Oberflächenkontur 30, bei welcher der balligen Grundform gemäß den 6a–b eine Ovalität in Übertragungsrichtung überlagert ist. Die Ovalität bzw. eine Abweichung von der kreisrunden Form beträgt nur wenige Mikrometer.
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Die 10a–b zeigen eine weitere Ausführungsform des Zapfens 22 und dessen Oberflächenkontur 30, bei welcher der ballig – kegligen Grundform gemäß den 7a–b eine Ovalität überlagert ist.
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Des Weiteren ist es möglich, dass der Zapfen 22 bzw. die Zapfen 22 lediglich in Übertragungsrichtung die gemäß den 5a–10b dargestellten Geometrieoptimierung aufweisen und in unbelasteten Bereichen eine zumindest kreiszylindrische Form aufweisen. Die 11a–13b zeigen derartige Ausführungsformen, wobei der zumindest im Wesentlichen kreiszylindrische Bereich in den unbelasteten Bereich die Bewegung bzw. Oszillation der Nadeln 20 während des Betriebs des Kreuzgelenks 10 stabilisieren kann. Dadurch kann ein Verschränken der Nadeln 20 und damit eine innere Reibung reduziert werden.
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Die 11a–b zeigen die Ausführungsform des Zapfens 22 und dessen Oberflächenkontur 30 gemäß den 8a–b, wobei die Ovalität lediglich in Übertragungsrichtung ausgebildet ist.
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Analog dazu zeigen die 12a–b die Ausführungsform des Zapfens 22 und dessen Oberflächenkontur 30 gemäß den 9a–b, wobei die Ovalität lediglich in Übertragungsrichtung ausgebildet ist. Ebenso zeigen die 13a–b die Ausführungsform des Zapfens 22 und dessen Oberflächenkontur 30 gemäß den 10a–b, wobei die Ovalität lediglich in Übertragungsrichtung ausgebildet ist.
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Bei der Fertigung der Zapfen 22 und der entsprechenden Oberflächenkontur 30 gemäß den 8a bis 13b wird beispielsweise während eines Schleifens des Zapfens 22 ein Abstand bzw. ein Winkel der Mittellinie 36 des Zapfens 22 zu einer Schleifscheibe einer Schleifmaschine fasengenau zweimal während einer Umdrehung des Zapfens 22 verändert. Dabei kann es gegebenenfalls erforderlich sein, Spezialschleif- und/oder Spezialdrehmaschinen einzusetzen. Ebenso ist es möglich, die Zapfen 22 entsprechend durch einen vorgeformten Schleifkörper auszubilden.
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Bei den Ausführungsformen des Zapfens 22 und deren Oberflächenkonturen 30 gemäß den 11a–13b kann vorgesehen sein, dass als Variation zur komplett ovalen Ausgestaltung entweder der Grundzapfen oval ausgeformt und die Mikrostruktur rotationssymmetrisch oder der Grundzapfen rotationssymmetrisch und die Mikrostruktur oval ausgeformt ist, so dass die Ovalität lediglich in Übertragungsrichtung ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kreuzgelenk
- 12
- Gelenkgabel
- 14
- Gelenkgabel
- 16
- Gelenkstern
- 17
- Aufnahme
- 18
- Gelenkbüchse
- 20
- Nadel
- 22
- Zapfen
- 24
- Dichtring
- 26
- Verzahnung
- 28
- Verzahnung
- 30
- Oberflächenkontur
- 32
- Oberflächenkontur
- 34
- Richtungspfeil
- 36
- Mittellinie
- 38
- Schwenkachse
- 40
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1213502 A1 [0002]
- DE 1122781 [0003]
