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Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufdrehgelenk zur Drehmomentübertragung, mit einem Gelenkaußenteil mit äußeren Kugelbahnen, einem Gelenkinnenteil mit inneren Kugelbahnen, drehmomentübertragenden Kugeln, die in Paaren von äußeren und inneren Kugelbahnen geführt werden, und einem Kugelkäfig, der die Kugeln in umfangsverteilten Fenstern aufnimmt und in einer gemeinsamen Ebene hält und bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene führt.
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Aus der
US 8 096 887 B2 ist ein Gleichlaufdrehgelenk in Form eines Festgelenks bekannt. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kugelbahnen des Gelenkaußenteils zwei Kreisbogenabschnitte mit unterschiedlichen Mittelpunkten und einen dazwischenliegenden geraden Abschnitt umfassen. Der gerade Abschnitt schließt tangential an die beiden Kreisbogenabschnitte an. Die Kreisbogenabschnitte sind so gestaltet, dass bei Abwinklung des Gelenks ein Maulöffnungswinkel an die in Richtung Öffnungsseite wandernde Kugel und ein Maulöffnungswinkel an die in Richtung Gelenkboden wandernde Kugel sich in entgegengesetzte axiale Richtungen öffnen.
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Aus der
DE 197 06 864 C1 ist ein Gleichlaufdrehgelenk bekannt, bei dem die Mittellinien der äußeren und inneren Kugelbahnen jeweils aus zwei aneinander anschließenden unterschiedlich gekrümmten Abschnitten zusammengesetzt sind. Zwischen den beiden gekrümmten Abschnitten ist ein Wendepunkt gebildet, wobei eine Tangente im Wendepunkt achsparallel verläuft. Die inneren Abschnitte der Kugelbahnen des Gelenkaußenteils erstrecken sich um 10° über die Gelenkmittelebene hinaus zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteils hin.
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Aus der
US 2 046 584 A sind verschiedene Ausführungsformen von Gleichlauffestgelenken bekannt. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die äußeren Kugelbahnen und die innere Kugelbahnen konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt verlaufen. Der zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil angeordnete Kugelkäfig hat eine innere sphärische Fläche, die gegenüber dem Gelenkinnenteil geführt ist, und eine äußere sphärische Fläche, die gegenüber dem Gelenkaußenteil geführt ist. Die Mittelpunkt der äußeren und inneren sphärischen Flächen des Kugelkäfigs liegen auf der Längsachse und sind axial zueinander versetzt. Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Mittelpunkt der äußeren Kugelbahn und der Mittelpunkt der inneren Kugelbahn auf der Längsachse axial zueinander beabstandet liegen. Die äußere und innere sphärische Fläche des Kugelkäfigs sind bei dieser Ausführungsform konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt gestaltet.
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Aus der
DE 39 39 531 C1 ist ein Gleichlauffestgelenk bekannt, dessen Kugelrillen sich in der Gelenkmittelebene betrachtet in Richtung Öffnungsseite öffnen. Die Mittellinien der einander paarweise zugeordneten Kugelrillen haben Krümmungszentren, die symmetrisch zueinander auf entgegengesetzten Seiten der Kugelmittelebene bei gestrecktem Gelenk liegen. Die Mittellinien der Kugelrillen haben jeweils einen Abschnitt mit einer engeren Krümmung auf einer Seite und einen Abschnitt mit einer weiteren Krümmung auf der gegenüberliegenden Seite.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichlaufgelenk vorzuschlagen, bei dem bei kleinen Beugewinkeln nur geringe Reaktionskräfte zwischen den in Kontakt stehenden Bauteilen auftreten, so dass Reibungsverluste entsprechend gering sind, und das eine zuverlässige Käfigsteuerung bei größeren Beugewinkeln gewährleistet.
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Zur Lösung wird ein Gleichlaufgelenk vorgeschlagen, umfassend:
ein Gelenkaußenteil mit einer Längsachse (L12) und äußeren Kugelbahnen, wobei das Gelenkaußenteil eine Anschlussseite und eine Öffnungsseite hat; ein Gelenkinnenteil mit einer Längsachse (L13) und inneren Kugelbahnen; wobei jeweils eine äußere Kugelbahnen und eine innere Kugelbahn ein Bahnpaar miteinander bilden; jeweils eine drehmomentübertragende Kugel in jedem Bahnpaar; einen Kugelkäfig, der zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil angeordnet ist und umfangsverteilte Käfigfenster aufweist, die jeweils zumindest eine der drehmomentübertragenden Kugeln aufnehmen, wobei die Kugeln vom Kugelkäfig bei koaxial ausgerichteten Längsachsen (L12, L13) des Gelenkinnenteils und des Gelenkaußenteils auf einer Gelenkmittelebene (EM) gehalten werden, und bei Winkelbewegung des Gelenkinnenteils relativ zum Gelenkaußenteil um einen Beugewinkel (β) in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden, wobei die beiden Längsachsen (L12, L13) bei von 0° abweichenden Beugewinkeln (β) eine Gelenkbeugeebene (EB) aufspannen;
wobei in jeder Winkelstellung des Gleichlaufgelenks, in der Gelenkbeugeebene (EB) betrachet, ein Maulöffnungswinkel (δ) gebildet ist zwischen einer äußeren Tangente (T), die in einem äußeren Kontaktpunkt zwischen äußerer Kugelbahn und Kugel an die äußere Kugelbahn angelegt ist, und einer inneren Tangente (T'), die in einem inneren Kontaktpunkt zwischen innerer Kugelbahn und Kugel an die innere Kugelbahn angelegt ist;
wobei zumindest eines der Bahnpaare derart gestaltet ist, dass
- – innerhalb eines kleinen Beugewinkelbereichs, der zumindest die Gelenkmittelebene (EM) umfasst, bei zumindest einem Gelenkbeugewinkel (β) ein Maulöffnungswinkel (δ) Null beträgt, und
- – innerhalb eines größeren Beugewinkelbereichs, der Gelenkbeugewinkel (β) umfasst, die betragsmäßig größer sind als ein größter Gelenkbeugewinkel (β) des kleinen Beugewinkelbereichs, bei zumindest einem Gelenkbeugewinkel (β) innerhalb dieses größeren Beugewinkelbereichs ein öffnungsseitiger Maulöffnungswinkel (δ) einer sich in der Gelenkbeugeebene (EB) zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteils bewegenden Kugel und ein anschlussseitiger Maulöffnungswinkel (δ) einer sich bei demselben Gelenkbeugewinkel (β) in der Gelenkbeugeebene (EB) zur Anschlussseite des Gelenkaußenteils bewegenden Kugel ungleich Null sind und sich in dieselbe axiale Richtung öffnen.
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Der Vorteil besteht darin, dass das Gleichlaufgelenk innerhalb eines zentralen Abschnitts, das heißt innerhalb eines kleinen Beugewinkelbereichs um die Gelenkmittelebene, zumindest in einer Schnittebene eine Bahnform mit einem Maulöffnungswinkel gleich Null aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die zumindest eine Kugelbahn bzw. einige der die Kugelbahnen des Gleichlaufgelenks innerhalb des zentralen Abschnitts zumindest in einer Schnittebene so gestaltet sind, dass zwei an die äußere und innere Kugelbahn angelegte Tangenten parallel zueinander verlaufen. Aufgrund der Parallelität der Tangenten an die Kugelbahnen, beziehungsweise die Parallelität der Kugelbahnen selbst, beträgt der Maulöffnungswinkel in dieser zumindest einen Schnittebene 0°, so dass keine resultierenden Axialkräfte zwischen den Kugelbahnen und den Kugeln entlang der Kugelbahnen wirksam sind. Hieraus folgt, dass auch der Kugelkäfig in dieser zumindest einen Schnittebene innerhalb dieses zentralen Abschnitts axialkraftfrei in Bezug auf die Kontaktflächen zum Gelenkaußenteil bzw. zum Gelenkinnenteil ist. Insgesamt sind die Reibungskräfte und damit auch die Reibungsverluste bei Betrieb des Gelenks innerhalb des zentralen Abschnitts minimiert. Das erfindungsgemäße Gleichlaufgelenk ist, im Gegensatz zu bekannten Gleichlaufgelenken, die einen Maulöffnungswinkel ungleich Null in gestreckter Lage haben und aufgrund des Dreipunktkontakts zwischen Gelenkaußenteil, Gelenkinnenteil und Käfig Gleitbewegungen zwischen den genannten Baueilen verursachen, reibungsvermindert.
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Bei größeren Beugewinkeln, das heißt bei Betrieb des Gleichlaufgelenks außerhalb des zentralen Abschnitts, bewirkt die Ausgestaltung der Kugelbahnen in der genannten Art mit in den öffnungsseitigen Kugelbahnabschnitten und in den anschlussseitigen Kugelbahnabschnitten in dieselbe axiale Richtung weisenden Maulöffnungswinkeln eine gute Käfigsteuerung. Mit in dieselbe axiale Richtung weisenden Maulöffnungswinkeln ist gemeint, dass die in der Gelenkbeugeebene auf eine in Richtung Anschlussseite wandernde Kugel von den äußeren und inneren Kugelbahnen einwirkenden resultierende Kraft eine Axialkraftkomponente aufweist, die in dieselbe axiale Richtung weist, wie die resultierende Axialkraftkomponente, die auf eine in Richtung Öffnungsseite wandernde Kugel einwirkt. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass der Kugelkäfig zumindest näherungsweise auf die winkelhalbierende Ebene gesteuert wird. Insgesamt verbindet das erfindungsgemäße Gleichlaufgelenk die Vorteile geringer Reibungsverluste mit einer zuverlässigen Steuerungsfunktion bei großen Beugewinkeln.
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Die Maulöffnungswinkel sind zwischen einer äußeren Tangente an die äußere Kugelbahn im Kontaktbereich und einer inneren Tangente an die innere Kugelbahn, jeweils im Kontakbereich mit der in der äußeren und inneren Kugelbahn geführten Kugel definiert. Dabei bezieht sich der Maulöffnungswinkel auf die Gelenkbeugeebene, welche von den Längsachsen des Gelenkaußenteils und Gelenkinnenteils aufgespannt wird, bzw. auf ein in der Gelenkbeugeebene liegendes Bahnpaar mit darin aufgenommener Kugel. Der Kontaktbereich zwischen Kugel und Kugelbahn kann dabei unmittelbar in der Gelenkbeugeebene liegen, beispielsweise bei kreisförmigem Bahnquerschnitt, dessen Querschnittsradius dem Radius der Kugel entspricht, oder in zur Gelenkbeugeebene parallel versetzten Ebenen, welche durch die Kugelkontaktlinien zwischen Kugel und Kugelbahnen aufgespannt werden, beispielsweise bei einem von der Kreisform abweichenden Querschnitt der Kugelbahnen. In letzterem Fall werden die Projektionen der an die jeweilige Kugelbahn angelegten Tangenten in der Gelenkbeugeebene betrachtet, welche den Maulöffnungswinkel einschließen.
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Im Einbauzustand des Gelenks kann es günstig sein, wenn ein Faltenbalg zum Abdichten des Gelenkraums mit Vorspannung montiert ist, und zwar derart, dass durch den Faltenbalg eine Axialkraft erzeugt wird, die das Gelenkinnenteil und das Gelenkaußenteil voneinander weg beaufschlagt. Hierdurch wird innerhalb des kleinen Beugewinkelbereichs, eine Käfigsteuerung durch die Vorspannung des Faltenbalgs erzeugt. Der Faltenbalg bewirkt im vorgespannten Zustand eine Axialkraftkomponente die ein zwischen den genannten Bauteilen vorhandenes Spiel herausdrückt. Eine plötzliche Laständerung, beispielsweise vom drehmomentfreien Zustand auf ein hohes Drehmoment, führt nicht zu einem Anschlag des Käfigs gegenüber dem Innenteil bzw. Außenteil, so dass ungewünschte Geräusche vermieden werden. Die Vorspannkraft kann in einer Größenordnung von 30 N bis 150 N liegen.
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Der zentrale Abschnitt des Gleichlaufgelenks, innerhalb dessen für zumindest eine Winkelstellung der Maulöffnungswinkel gleich Null ist (δ = 0°), wird definiert durch einen kleinen Gelenkbeugewinkel (β0) von ±2° um die Gelenkmittelebene (EM). Das bedeutet, der zentrale Abschnitt ist der Abschnitt, den eine Kugel bei Rotation des Gelenk unter Abwinklung um einen Beugewinkel von ±2° innerhalb der Kugelbahn in der Gelenkbeugeebene zurücklegt. Der zentrale Abschnitt kann auch innerhalb eines kleineren Beugewinkels von ±1° um die Gelenkmittelebene (EM) liegen. In jedem Fall umfasst der zentrale Abschnitt bzw. der kleine Beugewinkelbereich zumindest die Gelenkmittelebene (EM).
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei Abwinklung des Gelenkinnenteils relativ zum Gelenkaußenteil um einen Gelenkbeugewinkel β, der außerhalb eines Gelenkbeugewinkels von ±2° und innerhalb eines Gelenkbeugewinkels von ±8° liegt, zumindest einer von dem öffnungsseitigen Maulöffnungswinkel δo und dem anschlussseitigen Maulöffnungswinkel δa betragsmäßig größer als 0° und kleiner ±8° ist, insbesondere kleiner ±6° ist. Durch diese Ausgestaltung wird in dem unmittelbar an den zentralen Abschnitt öffnungsseitig und anschlussseitig angrenzenden Abschnitte eine Axialkraftkomponente auf die in der Gelenkbeugeebene befindlichen Kugeln ausgeübt, was hier zu einer guten Steuerung führt. In diesem an den zentralen Abschnitt anschließenden Beugewinkelbereich β von bis zu ±8°, sind die auf die Kugeln einwirkenden Kräfte aufgrund des verhältnismäßig kleinen Maulöffnungswinkels δ von maximal 8° gering, was in günstiger Weise auch zu geringen Reibungsverlusten führt.
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Bei Rotation des Gelenks unter Abwicklung wandern die drehmomentübertragenden Kugeln entlang der Kugelbahnen. Dabei wird, in der Gelenkbeugeebene betrachtet, die sich zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteils bewegende Kugel in einen öffnungsseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils und in einen anschlussseitigen Bahnabschnitt des Gelenkinnenteils geführt. Die sich, in der Gelenkbeugeebene betrachtet, zur Anschlussseite des Gelenkaußenteils bewegende Kugel wird in einen anschlussseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils und in einen öffnungsseitigen Bahnabschnitt des Gelenkinnenteils geführt. Es ist nach einer günstigen Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest einer von dem anschlussseitigen und öffnungsseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils sowie dem korrespondierendem öffnungsseitigen und anschlussseitigen Bahnabschnitt des Gelenkinnenteils, innerhalb dem der erste und zweite Maulöffnungswinkel δ in dieselbe axiale Richtung weisen, ausgehend vom jeweiligen Übergangspunkt zum zentralen Bahnabschnitt, sich über einen Bahnwinkel β/2 von bis zu zumindest 10° um den Gelenkmittelpunkt M relativ zur Gelenkmittelebene EM, insbesondere von bis zu zumindest 20°, erstreckt. Vorzugsweise erstrecken sich sowohl die öffnungsseitigen als auch die anschlussseitigen Bahnabschnitte des Gelenkaußenteils bzw. des Gelenkinnenteils, welche bei Abwinklung des Gelenks zu einer in dieselbe axiale Richtung weisenden Maulöffnung führen, über den angegebenen Bahnwinkelbereich β/2 von bis zu zumindest 10°, insbesondere von bis zu zumindest 20°.
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Der Bahnwinkel β/2 definiert den Winkel, den ein Radius um den Gelenkmittelpunkt M an die Kugelmitte einer der drehmomentübertragenden Kugel mit der Gelenkmittelebene EM einschließt. Dabei beträgt der Bahnwinkel β/2 in jeder Winkelstellung des Gelenks üblicherweise die Hälfe des Gelenkbeugewinkels β, das heißt der Bahnwinkel β/2 von bis zu zumindest 10° entspricht einem Gelenkbeugewinkel von 20°. Allerdings ist nicht ausgeschlossen, dass die Kugeln auch auf eine gemeinsame Ebene gesteuert werden können, welche von der winkelhalbierenden Ebene in gewissem Maße abweichen kann.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Kugelkäfig eine sphärische Außenfläche zum Führen des Kugelkäfigs gegenüber einer inneren Fläche des Gelenkaußenteils und eine sphärische Innenfläche zum Führen des Kugelkäfigs gegenüber einer äußeren Fläche des Gelenkinnenteils, wobei zwischen einem Mittelpunkt der sphärischen Außenfläche und einem Mittelpunkt der sphärischen Innenfläche ein axialer Versatz (Offset) vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme wird eine gute Käfigsteuerung bei Abwinklung des Gleichlaufgelenks erreicht.
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Vorzugsweise ist zwischen der äußeren sphärischen Außenfläche des Kugelkäfigs und der inneren sphärischen Fläche des Gelenkaußenteils und/oder zwischen der sphärischen Innenfläche des Kugelkäfigs und der sphärischen äußeren Fläche des Gelenkinnenteils Radialspiel vorgesehen. Hierdurch wird zwischen Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil ein gewisses Axialspiel erreicht, was in vorteilhafter Weise eine Schwingungsentkopplung bei Betrieb des Gelenks bewirkt.
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Die Mittelpunkte der Kugeln definieren beim Bewegen entlang der äußeren und inneren Kugelbahnen, in der Gelenkbeugeebene betrachtet, eine Mittelpunktslinie A. Dabei ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Mittelpunktslinie A über ihre Länge zumindest zwei Bahnabschnitte mit unterschiedlicher Krümmung aufweist. Die zumindest zwei Bahnabschnitte mit unterschiedlicher Krümmung können innerhalb des zentralen Abschnitts und/oder innerhalb des öffnungsseitigen Abschnitts und/oder innerhalb des anschlussseitigen Abschnitts der äußeren und inneren Kugelbahnen liegen. Es ist auch möglich, dass die Mittelpunktslinie A innerhalb von zumindest einem des anschlussseitigen Bahnabschnitts und des öffnungsseitigen Bahnabschnitts des Gelenkaußenteils mindestens zwei Teilabschnitte mit unterschiedlicher Krümmung aufweist.
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Vorzugsweise hat die Mittelpunktslinie A eine Krümmungsänderung im zentralen Bahnabschnitt, insbesondere im Schnittpunkt mit der Gelenkmittelebene EM. Mit Krümmungsänderung ist in diesem Zusammenhang jede Änderung der Steigung der Mittelpunktslinie im mathematischen Sinne zu verstehen, wie z. B. eine Änderung von einem Kreisbogen mit einem größeren ersten Radius auf einen Kreisbogen mit einem kleineren zweiten Radius oder auf eine Gerade. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass der Krümmungsänderungspunkt ein Wendepunkt im mathematischen Sinne ist, das heißt die Krümmung der Mittelpunktslinie ändert im Wendepunkt das Vorzeichen, beispielsweise von einem Kreisbogen mit einer ersten Krümmungsrichtung in einen Kreisbogen mit einer entgegengesetzten zweiten Krümmungsrichtung. Es versteht sich, dass die Mittelpunktslinie auch eine Kurve höherer Ordnung sein kann, wobei mit Krümmungsänderung hier ebenfalls eine Änderung der Steigung entlang der Kurve höherer Ordnung gemeint wäre.
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Bei dem Gleichlaufgelenk hat zumindest eines der Bahnpaare die erfindungsgemäße Form mit zumindest einem Maulöffnungswinkel von Null innerhalb des zentralen Abschnitts und, bei größeren Winkelbewegungen außerhalb des zentralen Abschnitts, mit in übereinstimmender axialer Richtung weisenden Maulöffnungswinkeln ungleich Null. Es versteht sich, dass auch zwei oder mehr Bahnpaare die genannte Ausgestaltung aufweisen können, wobei jeweils zwei Bahnpaare mit der genannten Ausgestaltung einander diametral gegenüberliegen. Unabhängig von der Anzahl der erfindungsgemäßen Bahnpaare ist in jedem Fall vorgesehen, dass auch die übrigen Bahnpaare Maulöffnungen aufweisen, welche in dieselbe axiale Richtung weisen, wie die Maulöffnungen der erfindungsgemäßen Bahnpaare. Vorzugsweise sind alle Bahnpaare gleich gestaltet, das heißt die Maulöffnungswinkel δ aller Kugeln, die bei Abwinklung des Gelenks in der Gelenkbeugeebene außerhalb des zentralen Bahnabschnitts der Bahnpaare liegen, öffnen sich in dieselbe axiale Richtung. Weiter ist für eine günstige Fertigung vorzugsweise vorgesehen, dass alle äußeren Kugelbahnen untereinander und alle inneren Kugelbahnen untereinander gleich gestaltet sind.
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Nach einer ersten Möglichkeit kann für den zentralen Abschnitt vorgesehen sein, dass die äußere Kugelbahn derart gestaltet ist, dass eine äußere Kontaktlinie K im zentralen Bahnabschnitt durch eine zur Längsachse L12 des Gelenkaußenteils parallele Gerade gebildet ist, und dass die innere Kugelbahn derart gestaltet ist, dass eine innere Kontaktlinie K im zentralen Bahnabschnitt durch eine zur Längsachse L13 des Gelenkinnenteils parallele Gerade gebildet ist. Die an den zentralen Abschnitt anschlussseitig und öffnungsseitig anschließenden Abschnitte haben eine von einer parallelen Gerade abweichende Form, insbesondere einen bogenförmigen Verlauf, welcher jeweils einen Maulöffnungswinkel ungleich Null in dieselbe axiale Richtung bildet. Theoretisch können die parallelen Geraden der inneren und äußeren Kugelbahnen auch infinitesimal kurz sein; dann würden diese infinitesimal kurzen Geradbahnabschnitte jeweils einen Kurvenänderungspunkt mit Steigung Null bilden.
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Nach einer zweiten Möglichkeit kann für den zentralen Abschnitt vorgesehen sein, dass die äußere Kugelbahn derart gestaltet ist, dass die äußeren Kontaktlinie K im zentralen Bahnabschnitt durch einen äußeren Kreisbogen um den Gelenkmittelpunkt gebildet ist, und dass die innere Kugelbahn derart gestaltet ist, dass die innere Kontaktlinie K' im zentralen Bahnabschnitt durch einen inneren Kreisbogen um den Gelenkmittelpunkt gebildet ist. Die an den zentralen Abschnitt anschlussseitig und öffnungsseitig anschließenden Abschnitte haben eine von den zum Gelenkmittelpunkt konzentrischen Kreisbögen abweichende Form, beispielsweise einen Kreisbogen um einen Mittelpunkt der gegenüber dem Gelenkmittelpunkt axial und/oder radial versetzt ist oder eine Kurve höherer Ordnung.
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Im an den zentralen Abschnitt anschlussseitig anschließenden Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils kann die äußere Kugelbahn derart gestaltet sein, dass die Mittelpunktslinie A in diesem anschlussseitigen Bahnabschnitt eine der nachstehenden Ausgestaltungen aufweist:
- – radial innerhalb eines durch einen Referenzradius (RR) definierten Kreisbogenabschnitts verläuft, wobei der Referenzradius (RR) um den Gelenkmittelpunkt (M) herum durch einen Mittelebenen-Schnittpunkt der Mittelpunktslinie (A) mit der Gelenkmittelebene (EM) verläuft oder
- – radial außerhalb eines durch einen Referenzradius (RR) definierten Kreisbogenabschnitts verläuft, wobei der Referenzradius (RR) um den Gelenkmittelpunkt (M) herum durch einen Mittelebenen-Schnittpunkt der Mittelpunktslinie (A) mit der Gelenkmittelebene (EM) verläuft.
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Der an den zentralen Abschnitt öffnungsseitig anschließenden Bahnabschnitt des Gelenkinnenteils ist entsprechend dem anschlussseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils gestaltet. Das heißt, dass der öffnungsseitige Bahnabschnitt des Gelenkinnenteils so gestaltet ist, dass die zugehörige Mittelpunktsbahn dieses Bahnabschnitts spiegelsymmetrisch zur Mittelpunktsbahn des anschlussseitigen Bahnabschnitts des Gelenkaußenteils in Bezug auf eine winkelhalbierende Ebene ist. Dies gilt für jedes der Bahnpaare.
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In Konkretisierung kann vorgesehen sein, dass die äußere Kugelbahn derart gestaltet ist, dass die Mittelpunktslinie (A) im anschlussseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils zumindest eine der nachstehenden Ausgestaltungen aufweist:
- – einen Kreisbogenabschnitt mit Radius (R) um einen Kreisbogenmittelpunkt, der in der Gelenkmittelebene (EM) liegt und der relativ zur Längsachse (L12) des Gelenkaußenteils einen radialen Versatz in Richtung äußerer Kugelbahn aufweist, oder
- – einen Kreisbogenabschnitt mit Radius (R) um einen Kreisbogenmittelpunkt, der auf der Längsachse (L12) des Gelenkaußenteils liegt und relativ zur Gelenkmittelebene (EM) einen axialen Versatz in Richtung Anschlussseite aufweist.
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Im an den zentralen Abschnitt öffnungsseitig anschließenden Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils kann die äußere Kugelbahn derart gestaltet sein, dass die Mittelpunktslinie A in diesem öffnungsseitigen Bahnabschnitt eine der nachstehenden Ausgestaltungen aufweist:
- – radial außerhalb eines durch einen Referenzradius (RR) definierten Kreisbogenabschnitts verläuft, wobei der Referenzradius (RR) um dem Gelenkmittelpunkt (M) herum und durch einen Mittelebenen-Schnittpunkt der Mittelpunktslinie (A) mit der Gelenkmittelebene (EM) verläuft oder
- – radial innerhalb eines durch einen Referenzradius (RR) definierten Kreisbogenabschnitts verläuft, wobei der Referenzradius (RR) um den Gelenkmittelpunkt (M) herum und durch einen Mittelebenen-Schnittpunkt der Mittelpunktslinie (A) mit der Gelenkmittelebene (EM) verläuft.
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Auch hier gilt, dass die innere Kugelbahn in Bezug auf eine winkelhalbierende Ebene zwischen der Längsachse (L12) des Gelenkaußenteils und der Längsachse (L13) des Gelenkinnenteils spiegelsymmetrisch zur äußeren Kugelbahn gestaltet ist.
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In Konkretisierung kann vorgesehen sein, dass die äußere Kugelbahn derart gestaltet ist, dass die Mittelpunktslinie (A) im öffnungsseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils zumindest eine der nachstehenden Ausgestaltungen aufweist:
- – einen Kreisbogenabschnitt mit Radius (R) um einen Kreisbogenmittelpunkt, der in der Gelenkmittelebene (EM) liegt und der relativ zur Längsachse (L12) des Gelenkaußenteils einen radialen Versatz von der äußeren Kugelbahn weg aufweist,
- – einen Kreisbogenabschnitt mit Radius (R) um einen Kreisbogenmittelpunkt, der auf der Längsachse (L12) des Gelenkaußenteils liegt und relativ zur Gelenkmittelebene (EM) einen axialen Versatz in Richtung Öffnungsseite aufweist.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Mittelpunktslinie (A) im anschlussseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils radial innerhalb eines durch den Referenzradius (RR) definierten Kreisbogenabschnitts verläuft, dass die Mittelpunktslinie (A) im öffnungsseitigen Bahnabschnitt des Gelenkaußenteils radial außerhalb eines durch einen Referenzradius (RR) definierten Kreisbogenabschnitts verläuft, dass der Mittelpunkt der sphärischen Außenfläche des Kugelkäfigs relativ zum Gelenkmittelpunkt einen axialen Versatz (Offset) in Richtung Öffnungsseite hat und dass der Mittelpunkt der sphärischen Innenfläche des Kugelkäfigs relativ zum Gelenkmittelpunkt einen axialen Versatz (Offset) in Richtung Anschlussseite hat.
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Diese Ausführungsform verbindet in besonders günstiger Weise die Vorteile von geringen Reibungsverlusten bei kleinen Beugewinkeln und einer zuverlässigen Käfigsteuerung bei größeren Beugewinkeln.
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Die Anzahl der Bahnpaare bzw. der drehmomentübertragenden Kugeln kann unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen an das Gleichlaufgelenk beliebig gewählt werden. Im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs kommen in der Regel Gleichlaufgelenke mit sechs oder acht Kugeln zum Einsatz, wobei beliebige andere Zahlen, auch eine ungerade Anzahl, ebenso denkbar sind.
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Das Gleichlaufgelenk ist aufgrund der Führung des Kugelkäfigs gegenüber der sphärischen Innenfläche des Gelenkaußenteils bzw. der sphärischen Außenfläche des Gelenkinnenteil in Form eines Festgelenks gestaltet, das Verschiebebewegungen nur im Rahmen des Axialspiels zwischen Gelenkaußenteil und -innenteil zulässt. Es ist jedoch auch denkbar, den Käfig gegenüber der Innenfläche des Gelenkaußenteils und gegenüber der Außenfläche des Gelenkinnenteils axial freizustellen, so dass das Gelenk dann als Verschiebegelenk gestaltet wäre.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
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1a) ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt;
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1b) das Gelenk aus 1a) mit in der Gelenkmittelebene eingezeichneten Tangenten an die Kugelbahnen;
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1c) das Gelenk aus 1a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 20°;
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1d) das Gelenk aus 1a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 40°;
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1e) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 1a) im Längsschnitt;
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1f) das Gelenkinnenteil des Gelenks aus 1a) im Längsschnitt;
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1g) den Kugelkäfig des Gelenks aus 1a) im Längsschnitt;
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1h) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 1a) im Längsschnitt in vergrößerter Ansicht mit weiteren Details;
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2a) ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt, in gestreckter Stellung;
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2b) das Gelenk aus 2a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 40°;
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2c) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 2a) im Längsschnitt;
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2d) das Gelenkinnenteil des Gelenks aus 2a) im Längsschnitt;
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2e) den Kugelkäfig des Gelenks aus 2a) im Längsschnitt;
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3a) ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer dritten Ausführungsform im Längsschnitt, in gestreckter Stellung;
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3b) das Gelenk aus 3a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 40°;
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3c) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 3a) im Längsschnitt;
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3d) das Gelenkinnenteil des Gelenks aus 3a) im Längsschnitt;
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3e) den Kugelkäfig des Gelenks aus 3a) im Längsschnitt;
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4a) ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer vierten Ausführungsform im Längsschnitt, in gestreckter Stellung;
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4b) das Gelenk aus 4a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 40°;
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4c) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 4a) im Längsschnitt;
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4d) das Gelenkinnenteil des Gelenks aus 4a) im Längsschnitt;
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4e) den Kugelkäfig des Gelenks aus 4a) im Längsschnitt;
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5a) ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer fünften Ausführungsform im Längsschnitt, in gestreckter Stellung;
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5b) das Gelenk aus 5a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 40°;
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5c) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 5a) im Längsschnitt;
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5d) das Gelenkinnenteil des Gelenks aus 5a) im Längsschnitt;
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5e) den Kugelkäfig des Gelenks aus 5a) im Längsschnitt;
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6a) ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer sechsten Ausführungsform im Längsschnitt, in gestreckter Stellung;
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6b) das Gelenk aus 6a) bei Abwinklung um einen Beugewinkel von 40°;
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6c) das Gelenkaußenteil des Gelenks aus 6a) im Längsschnitt;
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6d) das Gelenkinnenteil des Gelenks aus 6a) im Längsschnitt;
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6e) den Kugelkäfig des Gelenks aus 6a) im Längsschnitt.
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Die 1a) bis 1h) werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Es ist ein erfindungsgemäßes Gleichlaufdrehgelenk 11 gezeigt. Das Gleichlaufgelenk 11 umfasst ein Gelenkaußenteil 12, ein Gelenkinnenteil 13, drehmomentübertragende Kugeln 14, sowie einen Kugelkäfig 15. Der Kugelkäfig 15 hat eine sphärische Außenfläche 16, die im Gelenkaußenteil 12 geführt ist und eine sphärische Käfiginnenfläche 17, die auf dem Gelenkinnenteil 13 geführt ist. Die Kugeln 14 sind in umfangsverteilten Käfigfenstern 18 im Kugelkäfig 15 in der Gelenkmittelebene EM gehalten. Am Gelenkaußenteil 12 ist eine Längsachse L12 bezeichnet, am Gelenkinnenteil 13 eine Längsachse L13. Der Schnittpunkt der Längsachsen L12, L13 mit der Gelenkmittelebene EM bildet den Gelenkmittelpunkt M.
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Zwischen der sphärischen Außenfläche 16 des Kugelkäfigs 15 und einer sphärischen Innenfläche des Gelenkaußenteils 12 ist ein geringes Spiel vorgesehen. Gleiches gilt auch für die Flächenpaarung zwischen der sphärischen Innenfläche 17 des Kugelkäfigs 15 und einer sphärischen Außenfläche des Gelenkinnenteils 13. Durch das Radialspiel zwischen den Flächenpaarungen des Kugelkäfigs 15 zum Gelenkaußenteil 12 bzw. zum Gelenkinnenteil 13 sind Axialbewegungen des Gelenkinnenteils 13 relativ zum Gelenkaußenteil 12 in begrenztem Maße möglich. Das daraus resultierende Axialspiel zwischen Gelenkinnenteil 13 und Gelenkaußenteil 12 ermöglicht in günstiger Weise eine Schwingungsentkopplung bei Betrieb des Gelenks. Das Axialspiel kann beispielsweise zwischen 0,2 mm und 1,0 mm liegen.
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Das Gelenkaußenteil 12 weist einen Boden 19 auf, mit dem ein Anschlusszapfen 24 verbunden ist, sowie eine Öffnung 20. Das Gelenkinnenteil 13 hat eine Öffnung 21, in welche der Zapfen einer Antriebswelle zur Übertragung eines Drehmoments drehfest eingesteckt werden kann. Die Lage des Bodens 19 bezeichnet im weiteren die axiale Richtung „zur Anschlussseite”, die Lage der Öffnung 20 bezeichnet im weiteren die axiale Richtung „zur Öffnungsseite”. Diese Begriffe werden auch in Bezug auf das Gelenkinnenteil 13 verwendet, wobei der tatsächliche Anschluss einer Welle an das Gelenkinnenteil 13 unberücksichtigt bleibt. Es versteht sich, dass das Gelenkaußenteil anstelle des Bodens auch zur Anschlussseite hin offen gestaltet sein kann, wie es beispielsweise bei einem Scheibengelenk der Fall ist.
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Im Gelenkaußenteil 12 sind äußere Kugelbahnen 22 und im Gelenkinnenteil sind innere Kugelbahnen 23 des Gleichlaufgelenks 11 gebildet. Jeweils eine äußere Kugelbahn 22 und eine innere Kugelbahn 23 liegen einander gegenüber und bilden gemeinsam ein Bahnpaar miteinander, in dem jeweils eine drehmomentübertragende Kugel 14 geführt ist. Die einander gegenüberliegenden äußeren und inneren Kugelbahnen 22, 23 können in Radialebenen um die jeweilige Längsachse L12, L13 liegen. Die Radialebenen haben jeweils den gleichen Winkelabstand voneinander. Es ist jedoch auch denkbar, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Bahnpaare in zueinander parallelen Ebenen verlaufen, welche parallel zur Längsachse L12, L13 liegen. Diese Ausgestaltung wird auch als „Twin-Ball”-Gelenk bezeichnet. Bei Abwinklung des Gelenks, das heißt bei Winkelbewegungen des Gelenkinnenteils 13 relativ zum Gelenkaußenteil 12, werden die Kugeln 14 aus der Gelenkmittelebene EM heraus zumindest etwa in die winkelhalbierende Ebene zwischen der Längsachse L12 des Gelenkaußenteils 12 und der Längsachse L13 des Gelenkinnenteils 13 geführt. Mit zumindest etwa ist gemeint, dass die durch die Kugelmittelpunkte der Kugeln 14 aufgespannte Ebene innerhalb eines Winkelbereichs von ±10% um die winkelhalbierende Ebene liegt, und dieser insbesondere entsprechen kann.
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Die Form der Kugelbahnen 22, 23 ist insbesondere in den 1e und 1f erkennbar. Die Kugeln 14 haben Kontakt mit den äußeren Kugelbahnen 22 im Gelenkaußenteil 12 und inneren Kugelbahnen 23 im Gelenkinnenteil 13. Dabei bilden die Kugeln 14 im Kontaktbereich mit den äußeren Kugelbahnen 22 im Längsschnitt eine äußere Kontaktlinie K und im Kontaktbereich mit den inneren Kugelbahnen 23 eine innere Kontaktlinie K'. Die Kugeln 14 sind mit Kontakt im Bahngrund der Kugelbahnen 22, 23 dargestellt, der nicht notwendig gegeben sein muss. So können die äußere und innere Kontaktlinie K, K', wie gezeigt, im Bahngrund liegen, das heißt in einer Radialebene, welche die Längsachsen L12, L13 beinhaltet, oder in zu den Längsachsen parallelen Ebenen. Beim Bewegen entlang der äußeren und inneren Kugelbahnen 22, 23 definieren die Mittelpunkte der Kugeln 14 jeweils eine Mittelpunktslinie A, A'. Die Mittelpunktslinien A, A' verlaufen parallel zur jeweiligen Kontaktlinie K, K'. Zur Beschreibung der Kugelbahnen 22, 23 wird entweder auf die Kontaktlinien K, K' im Bahngrund oder auf die Mittellinien A, A' Bezug genommen, die durch die Summe der Kugelmittelpunkte bei Winkelbewegungen des Gelenks definiert wird. Dabei bezeichnet die Kugelmittellinie A die Linie der Kugelmittelpunkte der Kugeln 14A entlang der äußeren Kugelbahnen 22 im Gelenkaußenteil 12, und A' die Kugelmittellinie der zugehörigen inneren Kugelbahnen 23 im Gelenkinnenteil 13.
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In der in 1a) und 1b) dargestellten gestreckten Position des Gelenks, das heißt bei koaxial ausgerichtetem Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 13 (Beugewinkel β = 0°), verlaufen die Tangenten T, T' an die Kugeln 14 in den Kontaktpunkten mit den äußeren und inneren Kugelbahnen 22, 23 parallel zur jeweiligen Längsachse L12, L13. Dadurch, dass die Tangenten T, T' in diesem zentralen Abschnitt des Gelenks, welcher zumindest die Gelenkmittelebene EM umfasst, parallel zu einander verlaufen, beträgt der Maulöffnungswinkel δ Null. Das Gleichlaufgelenk 11 ist somit in diesem kleinen Beugewinkelbereich axial lastfrei, das heißt in diesem Bereich treten keine Kräfte zwischen den Kugelbahnen und den darin geführten Kugeln auf.
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Im folgenden wird näher auf die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks, insbesondere auf die Ausgestaltung der Kugelbahnen eingegangen. Es gelten vorliegend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenk bzw. der Ausgestaltung der Kugelbahnen die folgenden Definitionen:
Der Tangentenwinkel α definiert den Winkel, der zwischen einer Tangente T an eine Mittelpunktslinie A, A' bzw. eine Kontaktlinie K, K' des Gelenkaußenteils 12 bzw. Gelenkinnenteils 13 in einem beliebigen Bahnpunkt und der Längsachse L12, L13 des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils eingeschlossen ist.
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Der Gelenkbeugewinkel β definiert den Winkel, der zwischen der Längsachse L12 des Gelenkaußenteils 12 und der Längsachse L13 des Gelenkinnenteils 13 eingeschlossen wird. Der Gelenkbeugewinkel β beträgt bei gestrecktem Gelenk Null.
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Der Bahnwinkel β/2 definiert den Winkel, den ein Radius um den Gelenkmittelpunkt M an die Kugelmitte mit der Gelenkmittelebene EM einschließt. Dabei beträgt der Bahnwinkel β/2 in jeder Winkelstellung des Gelenks stets die Hälfe des Gelenkbeugewinkels β.
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Der Bahnabschnittswinkel γ eines kreisbogenförmigen Bahnabschnitts definiert den Winkel, über den sich dieser kreisbogenförmige Bahnabschnitt mit gleichbleibendem Radius R um den Radiusmittelpunkt M dieses Radius R erstreckt.
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Der Maulöffnungswinkel δ definiert den Winkel, der von Tangenten T an die Kugeln in den Kontaktpunkten mit den ersten Kugelbahnen bzw. den zweiten Kugelbahnen eingeschlossen wird.
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Die Mittelpunktsebene EM ist definiert durch die Kugelmittelpunkte der drehmomentübertragenden Kugeln 14 bei gestrecktem Gelenk.
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Ein Referenzradius RR für die Kugelmittelpunktslinie A des Gelenkaußenteils 12, beziehungsweise für die Kugelmittelpunktslinie A' des Gelenkinnenteils 13, ist definiert um den Gelenkmittelpunkt M herum durch einen Mittelebenen-Schnittpunkt PE der jeweiligen Mittelpunktslinie A, A' mit der Gelenkmittelebene EM.
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Der Referenzradius RR für die Mittelpunktslinie A, A' definiert einen Referenzkreisbogen CR.
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Die 1a) bis 1h) zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks 11. In 1e) ist das Gelenkaußenteil 12 mit seiner Mittelpunktslinie A und Kontaktlinie K gezeigt, welche parallel zueinander verlaufen. Die Mittelpunktslinie A des Gelenkaußenteils 12 weist, ausgehend von der Öffnungsseite in Richtung Anschlussseite in der angegebenen Reihenfolge einen öffnungsseitigen Abschnitt Ao, der sich von der Öffnungsseite des Gelenkaußenteils 12 in Richtung Anschlussseite erstreckt, einen an den öffnungsseitigen Abschnitt Ao stetig anschließenden zentralen Abschnitt Az und einen an den zentralen Abschnitt Az stetig anschließenden anschlussseitigen Abschnitt Aa.
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Entsprechend weist die Mittelpunktslinie A' des Gelenkinnenteils 13, ausgehend von der Öffnungsseite in Richtung Anschlussseite in der angegebenen Reihenfolge einen öffnungsseitigen Abschnitt Ao', einen daran stetig anschließenden zentralen Abschnitt Az' und einen daran stetig anschließenden anschlussseitigen Abschnitt Aa'.
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Der zentrale Bahnabschnitt 22z der äußeren Kugelbahn 22 und der zentrale Bahnabschnitt 23z der inneren Kugelbahn 23 liegen innerhalb eines Gelenkbeugewinkelbereichs βz von ±2° um die Gelenkmittelebene EM, und beinhalten zumindest den Schnittbereich mit der Gelenkmittelebene EM. Es ist insbesondere in 1b) erkennbar, dass eine an die äußere Kontaktlinie K innerhalb des äußeren zentralen Bahnabschnitts angelegte äußere zentrale Kontaktlinientangente T parallel zu einer an die innere Kontaktlinie K' innerhalb des inneren zentralen Bahnabschnitts angelegte innere zentrale Kontaktlinientangente T' verläuft. Durch diese Ausgestaltung wirken keinerlei Axialkräfte von den Kugelbahnen 22, 23 auf die Kugeln 14, was sich reibungsmindernd für das Gelenk auswirkt. Der zwischen den zentralen Kontaktlinientangenten T, T' eingeschlossene Maulöffnungswinkel δ ist an zumindest einer Stelle innerhalb dieser zentralen Bahnabschnitte 22z, 23z gleich Null (δ = 0°).
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Des weiteren ist insbesondere in den 1c) und 1d) erkennbar, welche das Gleichlaufgelenk 11 bei einem Beugewinkel β von 20° bzw. 40° zeigen, dass die äußeren und inneren Kugelbahnen 22, 23 so gestaltet sind, dass sich in der Gelenkbeugeebene sowohl an der ausgehend von der Gelenkmittelebene EM in Richtung Öffnungsseite wandernden Kugel 14o (obere Bildhälfte), als auch an der ausgehend von der Gelenkmittelebene EM in Richtung Anschlussseite wandernden Kugel 14a (untere Bildhälfte) Maulöffnungswinkel δ erzeugt werden, die ungleich Null sind und sich in dieselbe axiale Richtung öffnen. Mit anderen Worten weisen die durch die Maulöffnungswinkel δ von den Kugelbahnen 22, 23 auf die Kugeln 14 wirkenden resultierenden Axialkräfte in dieselbe axiale Richtung.
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Die Maulöffnungswinkel δ werden jeweils von einer an die äußere Kontaktlinie K an die jeweilige Kugel 14 angelegte äußere Kontaktlinientangente T und einer an die innere Kontaktlinie K' der besagten Kugel 14 angelegten inneren Kontaktlinientangente T' eingeschlossen. Dabei ist erkennbar, dass für einen Beugewinkel β von 20° an der in der Gelenkbeugeebene in Richtung Öffnungsseite wandernden Kugel 14o zwischen der äußeren Tangente T20o und der inneren Tangente T20o' ein erster Maulöffnungswinkel δ20o gebildet ist, während an der in der Gelenkbeugeebene in Richtung Anschlussseite wandernden Kugel 14 zwischen der äußeren Tangente T20a und der inneren Tangente T20a' ein zweiter Maulöffnungswinkel δ20a anliegt. Bei einem größeren Beugewinkel β von 40° sind Maulöffnungswinkel δ20o an der öffnungsseitigen Kugel und der Maulöffnungswinkel δ20a an der anschlussseitigen Kugel größer als bei einem Beugewinkel von 20°. Die genannten Maulöffnungswinkel δ sind, verglichen mit bekannten Festgelenken, vergleichsweise niedrig, was zu geringeren Reibungsverlusten zwischen den sich zueinander bewegenden Bauteilen führt. Die Kugelbahnen sind vorzugsweise so gestaltet, dass die ersten und zweiten Maulöffnungswinkel zumindest annähernd gleich groß sind. Eine gewisse größenmäßige Abweichung der ersten und zweiten Öffnungswinkel voneinander ist jedoch zulässig, beispielsweise im Bereich von bis zu ±10%.
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Es ist theoretisch denkbar, dass die Maulöffnungswinkel δ an die öffnungsseitigen und anschlussseitigen Kugeln 14 bei größeren Gelenkbeugewinkeln β, die größer sind als 40°, auch in entgegengesetzte axiale Richtungen weisen. In jedem Fall sind die Kugelbahnen aber so gestaltet, dass die Maulöffnungswinkel δ an die öffnungsseitigen und anschlussseitigen Kugeln 14, bei Gelenkbeugung außerhalb des kleinen Beugewinkelbereichs von ±2°, zumindest bis zu einem Beugewinkel β von mindestens 20°, insbesondere von bis zu mindestens 40°, in dieselbe axiale Richtung öffnen. Durch diese Maßnahme wird eine gute Käfigsteuerung, insbesondere auch bei großen Beugewinkeln β erreicht.
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In 1h) sind nähere Details der Bahnform der äußeren Kugelbahnen 22 des Gelenkaußenteils 12 gezeigt. Es ist der Referenzradius RR eingezeichnet, dessen Radiusmittelpunkt MR im Gelenkmittelpunkt M und dessen Ende durch den Schnittpunkt der Mittelpunktslinie A mit der Gelenkmittelebene EM definiert ist. Die einzelnen Bahnabschnitte 22o, 22z, 22a bzw. die einzelnen Mittelpunktslinienabschnitte Ao, Az, Aa sind durch ihre unterschiedlichen Krümmungen bzw. Radien gekennzeichnet.
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Es ist erkennbar, dass die Mittelpunktslinie A im öffnungsseitigen Bahnabschnitt Ao radial außerhalb des Referenzkreisbogens CR des Referenzradius RR liegt. Dies kann für die Kugelbahn des Gelenkaußenteils 12 durch einen radialen Offset des Bahnmittelpunkts in Richtung äußerer Kugelbahn 22 oder auch durch eine elliptische Bahnform erreicht werden. Vorliegend ist der öffnungsseitige Abschnitt Ao der Mittelpunktslinie A durch einen Kreisbogen mit einem einheitlichen Radius Ro um einen Mittelpunkt Mo gebildet. Dabei liegt der Mittelpunkt Mo in der Gelenkmittelebene EM und ist relativ zur Längsachse L12 von der äußeren Kugelbahn 22 weg versetzt.
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Der zentrale Bahnabschnitt Az liegt in der Gelenkmittelebene EM und bildet den Übergang vom öffnungsseitigen Bahnabschnitt Ao zum anschlussseitigen Bahnabschnitt Aa. Innerhalb des zentralen Bahnabschnitts Az schneidet die Mittelpunktslinie A den Referenzkreisbogens CR. Insofern weist die Mittelpunktslinie A innerhalb des zentralen Bahnabschnitts Az einen Krümmungsänderungspunkt auf, welcher im Schnittpunkt der Mittelpunktslinie A mit der Gelenkmittelebene EM liegt. Im Krümmungsänderungspunkt ändert sich die Krümmung der Mittelpunktslinie A, und zwar vom größeren Radius Ro des öffnungsseitigen Kreisbogens Ao zum kleineren Radius Ra des anschlussseitigen Bahnabschnitts Aa.
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Der anschlussseitigen Bahnabschnitt Aa liegt radial innerhalb des durch den Referenzradius RR definierten Referenzkreisbogens CR. Entsprechend verlässt der Bahngrund bzw. die Kontaktlinie K der äußeren Kugelbahnen 22 im hinteren Bahnabschnitt 22a einen entsprechenden zum Referenzkreisbogen CR der Mittelpunktslinie A parallelen Referenzkreisbogen nach radial innen. Konkret ist vorgesehen, dass der anschlussseitige Abschnitt Aa durch einen Kreisbogen mit einem einheitlichen Radius Ra um einen Mittelpunkt Ma gebildet ist. Es ist erkennbar, dass der Radius Ra deutlich kleiner ist als der Radius Ro und dass der Mittelpunkt Ma in der Gelenkmittelebene EM auf die Kugelbahn zu versetzt ist. Am bodenseitigen Ende hat der anschlussseitige Bahnabschnitt Aa ein gerades Teilstück. Dadurch, dass der anschlussseitige Bahnabschnitt Aa innerhalb des Referenzkreisbogens CR verläuft, ergeben sich in diesem hinteren Bahnabschnitt Aa relativ große Tangentenwinkel α von an die Mittelpunktslinie bzw. die Kontaktlinie K angelegten Tangenten T. Die vergrößerten Tangentenwinkel α führen zu einer verbesserten Krafteinleitung von den Kugeln 14 in den Kugelkäfig 15, welcher damit besser auf die winkelhalbierende Ebene gesteuert wird und weniger ungewünschte Geräusche erzeugt.
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Es versteht sich, dass die Bahnform der äußeren Kugelbahn 22, und entsprechend auch die Bahnform der inneren Kugelbahn 23, auch auf andere Weise als durch die gezeigten kreisbogenförmigen Teilabschnitte gebildet werden kann. So kann jeder der Bahnabschnitte Ao, Az, Aa eine von einem Kreisbogen abweichende Form haben, wie eine elliptische, spiralförmige und/oder hyperbolische Form bzw. eine mathematische Funktion höherer Ordnung sein.
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In 1f) ist das Gelenkinnenteil 13 des erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks 11 als Einzelheit im Längsschnitt durch zwei einander gegenüberliegende Kugelbahnen 23 gezeigt. Dabei ist die Kugelmittelpunktslinie A' des Gelenkinnenteils 13 komplementär zur Kugelmittelpunktslinie A des Gelenkaußenteils 12 gestaltet. Das heißt, die Kugelmittelpunktslinie A' des Gelenkinnenteils 13 ist spiegelsymmetrisch zur Kugelmittelpunktslinie A des Gelenkaußenteils 12 in Bezug auf die Gelenkmittelebene EM, bzw. in Bezug auf die winkelhalbierende Ebene zwischen der Längsachse L12 des Gelenkaußenteils 12 und der Längsachse L13 des Gelenkinnenteils 13.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen wird insofern hinsichtlich des Bahnverlaufs der Kugelmittelpunktslinien A' des Gelenkinnenteils 13 auf die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Kugelbahnen des Gelenkaußenteils 12 gemachten Ausführungen verwiesen.
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In 1g) ist der Kugelkäfig als Einzelheit gezeigt. Es ist erkennbar, dass der erste Flächenmittelpunkt M16 der sphärischen Fläche 16 und der zweite Flächenmittelpunkt M17 der sphärischen Fläche 17 jeweils einen axialen Abstand (Offset) in Bezug auf die Gelenkmittelebene EM in entgegengesetzte Richtungen von der Gelenkmittelebene EM weg aufweisen. Durch den Käfigoffset wird die Kugelumschlingung der Kugeln in den anschlussseitigen Bahnabschnitten der inneren und äußeren Kugelbahnen 22, 23 vergrößert.
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Die 2a) bis 2e), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer weiteren Ausführungsform. Dieses entspricht weitestgehend dem Gleichlaufgelenk gemäß 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der einzige Unterschied besteht darin, dass die sphärische Innenfläche des Gelenkaußenteils und die sphärische Außenfläche des Kugelkäfigs 15 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt M gestaltet sind. Entsprechend ist auch vorgesehen, dass auch die sphärische Flächenpaarung zwischen Kugelkäfig 15 und Gelenkinnenteil 13 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt M gestaltet ist. Mit anderen Worten hat das Gleichlaufgelenk gemäß der vorliegenden Ausführungsform keinen sogenannten Käfig-Offset. Hierdurch ergeben sich an den anschlussseitigen Bahnabschnitten der äußeren und inneren Kugelbahnen geringere Bahntiefen und damit im Querschnitt betrachtet geringere Umschlingungswinkel um die in den Bahnen aufgenommenen Kugeln. Ferner fallen die Tangentenwinkel an die Kontaktlinien bzw. Mittelpunktslinien der Kugelbahnen etwas kleiner aus. Im Übrigen entspricht das Gelenk gemäß den 2a) bis 2e) der obigen Ausführungsform, so dass diesbezüglich auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird.
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Die 3a) bis 3e), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer dritten Ausführungsform. Dieses entspricht weitestgehend dem Gleichlaufgelenk gemäß 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Im Unterschied zur obigen Ausführungsform sind bei dem in den 3a) bis 3e) gezeigten Gleichlaufgelenk die äußeren und inneren Kugelbahnen hinterschnittfrei gestaltet. Gelenke mit hinterschnittfreien Bahnen werden auch als UF-Gelenke („undercut-free”) bezeichnet. Dabei liegt die Besonderheit in der konkreten Ausgestaltung der äußeren und inneren Kugelbahnen. Die Mittelpunktslinie A der äußeren Kugelbahnen haben einen öffnungsseitigen Bahnabschnitt Ao, einen darin anschließenden zentralen Bahnabschnitt Az und, im Anschluss an den zentralen Bahnabschnitt Az, einen anschlussseitigen Bahnabschnitt Aa. Es ist erkennbar, dass der öffnungsseitige Bahnabschnitt Ao gerade, und zwar parallel zur Längsachse L12 des Gelenkaußenteils 12 verläuft. Dies gilt auch für den zentralen Bahnabschnitt Az, welcher in der Gelenkmittelebene EM liegt, beziehungsweise diese beinhaltet. Der an den zentralen Bahnabschnitt Az jenseits der Gelenkmittelebene EM anschließende hintere Bahnabschnitt Aa ist gekrümmt, wobei die Bahnform in diesem Bahnabschnitt Az derjenigen des Gleichlaufgelenks gemäß 1 entspricht.
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Insofern verläuft auch bei dem vorliegenden Gleichlaufgelenk mit hinterschnittfreien Kugelbahnen der öffnungsseitige Bahnabschnitt Ao radial außerhalb des Referenzradius RR, während der hintere Bahnabschnitt Aa radial innerhalb des Referenzradius RR liegt. Durch diese Ausgestaltung sind, wie insbesondere in 3b) erkennbar, welche das Gleichlaufgelenk bei einem Beugewinkel β von 40° zeigt, die äußeren und inneren Kugelbahnen 22, 23 so gestaltet, dass in der Gelenkbeugeebene EB sowohl an der ausgehend von der Gelenkmittelebene EM in Richtung Öffnungsseite wandernden Kugel 14o (obere Bildhälfte), als auch an der ausgehend von der Gelenkmittelebene EM in Richtung Anschlussseite wandernden Kugel 14a (untere Bildhälfte) Maulöffnungswinkel δ erzeugt werden, die ungleich Null sind und sich in dieselbe axiale Richtung öffnen. Hierdurch wird eine gute Käfigsteuerung gewährleistet.
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Ferner ist in 3a erkennbar, welche das Gelenk in gestreckter Stellung zeigt, dass zentrale Bahnabschnitt Az der äußeren Kugelbahn 22 und der zentrale Bahnabschnitt Az' der inneren Kugelbahn innerhalb eines Gelenkbeugewinkelbereichs βz von ±2° um die Gelenkmittelebene EM liegen und den Schnittbereich mit der Gelenkmittelebene EM beinhalten. Eine an die äußere Kontaktlinie K innerhalb des äußeren zentralen Bahnabschnitts Az angelegte äußere Kontaktlinientangente T ist parallel zu einer an die innere Kontaktlinie K' innerhalb des inneren zentralen Bahnabschnitts Az' angelegte innere Kontaktlinientangente T'. Auf diese Weise wirken keine Axialkräfte von den Kugelbahnen 22, 23 auf die Kugeln 14, was sich reibungsmindernd für das Gelenk auswirkt. Der Maulöffnungswinkel δ beträgt an zumindest einer Stelle innerhalb dieser zentralen Bahnabschnitte Az, Az' Null. Ergänzend wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die Ausführungsform gemäß 1 Bezug genommen.
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Die 4a) bis 4e), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer weiteren Ausführungsform. Dieses entspricht weitestgehend dem Gleichlaufgelenk gemäß 3, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der einzige Unterschied besteht darin, dass die sphärische Innenfläche des Gelenkaußenteils und die sphärische Außenfläche des Kugelkäfigs 15 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt M gestaltet sind. Entsprechend ist auch vorgesehen, dass auch die sphärische Flächenpaarung zwischen Kugelkäfig 15 und Gelenkinnenteil 13 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt M gestaltet ist. Mit anderen Worten hat das Gleichlaufgelenk gemäß den 4a) bis 4e) keinen sogenannten Käfig-Offset. Hierdurch ergeben sich an den anschlussseitigen Bahnabschnitten der äußeren und inneren Kugelbahnen geringere Bahntiefen und damit im Querschnitt betrachtet geringere Umschlingungswinkel um die in den Bahnen aufgenommenen Kugeln. Ferner fallen die Tangentenwinkel an die Kontaktlinien bzw. Mittelpunktslinien der Kugelbahnen etwas kleiner aus. Im Übrigen entspricht das vorliegende Gelenk der Ausführungsform gemäß 3, so dass diesbezüglich auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird.
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Die 5a) bis 5e), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer fünften Ausführungsform. Dieses entspricht weitestgehend dem Gleichlaufgelenk gemäß 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, dass der zentrale Abschnitt Az über seine gesamte Länge so gestaltet ist, dass an die äußere Kontaktlinie K innerhalb des zentralen Bahnabschnitts Az angelegte äußere Kontaktlinientangenten T parallel zu an die innere Kontaktlinie K' innerhalb des inneren zentralen Bahnabschnitts Az' angelegte innere Kontaktlinientangenten T', beziehungsweise parallel zur Längsachse L12, verlaufen. Mit anderen Worten ist der zentrale Bahnabschnitt Az, Az' gerade, und zwar parallel zur jeweiligen Längsachse L12, L13 des zugehörigen Gelenkteils 12, 13 gestaltet. Bei gestrecktem Gelenk 11 wirken keine Axialkräfte von den Kugelbahnen 22, 23 auf die Kugeln 14, was sich reibungsmindernd für das Gelenk auswirkt. Der Maulöffnungswinkel δ beträgt über die gesamte Länge der zentralen Bahnabschnitte Az, Az' Null.
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Im Übrigen entspricht das vorliegenden Gleichlaufgelenk demjenigen gemäß 1, auf deren Beschreibung Bezug genommen wird. Insbesondere sind die öffnungsseitigen und anschlussseitigen Bahnabschnitte Ao und Aa, im Anschluss an den jeweiligen zentralen Bahnabschnitt Az, Az', gleich gestaltet, wie bei der Ausführungsform gemäß 1. Insofern verläuft auch bei dem vorliegenden Gleichlaufgelenk mit längerem achsparallelen zentralen Bahnabschnitten Az, Az', in Bezug auf das Gelenkaußenteil 12 der öffnungsseitige Bahnabschnitt Ao radial außerhalb des Referenzradius RR, während der anschlussseitige Bahnabschnitt Aa radial innerhalb des Referenzradius RR liegt. Durch diese Ausgestaltung sind, wie insbesondere in 5b) erkennbar, welche das Gleichlaufgelenk bei einem Beugewinkel β von 40° zeigt, die äußeren und inneren Kugelbahnen 22, 23 so gestaltet, dass in der Gelenkbeugeebene sowohl an der ausgehend von der Gelenkmittelebene EM in Richtung Öffnungsseite wandernden Kugel 14o (obere Bildhälfte), als auch an der ausgehend von der Gelenkmittelebene EM in Richtung Anschlussseite wandernden Kugel 14a (untere Bildhälfte) Maulöffnungswinkel δ erzeugt werden, die ungleich Null sind und sich in dieselbe axiale Richtung öffnen. Hierdurch wird eine gute Käfigsteuerung gewährleistet.
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Die 6a) bis 6e), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk in einer weiteren Ausführungsform. Dieses entspricht weitestgehend dem Gleichlaufgelenk gemäß 5, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der einzige Unterschied besteht darin, dass die sphärische Innenfläche des Gelenkaußenteils und die sphärische Außenfläche des Kugelkäfigs 15 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt M gestaltet sind. Entsprechend ist auch vorgesehen, dass auch die sphärische Flächenpaarung zwischen Kugelkäfig 15 und Gelenkinnenteil 13 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt M gestaltet ist. Mit anderen Worten hat das Gleichlaufgelenk gemäß den 6a) bis 6e) keinen sogenannten Käfig-Offset. Hierdurch ergeben sich an den anschlussseitigen Bahnabschnitten der äußeren und inneren Kugelbahnen geringere Bahntiefen und damit im Querschnitt betrachtet geringere Umschlingungswinkel um die in den Bahnen aufgenommenen Kugeln. Ferner fallen die Tangentenwinkel an die Kontaktlinien bzw. Mittelpunktslinien der Kugelbahnen etwas kleiner aus. Im Übrigen entspricht das vorliegende Gelenk der Ausführungsform gemäß 5, so dass diesbezüglich auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird.
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Der Vorteil aller vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenke 11 besteht darin, dass diese jeweils innerhalb eines kleinen Beugewinkelbereichs um die Gelenkmittelebene EM, zumindest in einer Schnittebene eine Bahnform haben, bei der keine resultierenden Axialkräfte zwischen den Kugelbahnen 22, 23 und den Kugeln 14 entlang der Kugelbahnen wirksam sind. Hieraus folgt, dass der Kugelkäfig 15 zumindest in diesem Bereich axialkraftfrei in Bezug auf die Kontaktflächen zum Gelenkaußenteil 12 bzw. zum Gelenkinnenteil 13 ist. Insgesamt sind die Reibungskräfte und damit auch die Reibungsverluste bei Betrieb des Gelenks 11 innerhalb des zentralen Abschnitts gering. Bei größeren Beugewinkeln, das heißt bei Betrieb des Gleichlaufgelenks außerhalb des kleinen Beugewinkelbereichs, haben die Kugelbahnen 12, 13 eine Form, welche sowohl bei den in der Gelenkbeugeebene EB in die öffnungsseitigen Bahnabschnitte Ao als auch bei den in die anschlussseitigen Bahnabschnitte Aa laufenden Kugeln 14 Maulöffnungswinkel 15 in übereinstimmende axiale Richtung bewirkt. Hierdurch wird eine gute Käfigsteuerung bei größeren Beugewinkeln erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Gleichlaufgelenk
- 12
- Gelenkaußenteil
- 13
- Gelenkinnenteil
- 14
- Kugel
- 15
- Kugelkäfig
- 16
- äußere Kugelfläche
- 17
- innere Kugelfläche
- 18
- Fenster
- 19
- Anschlussseite
- 20
- Öffnungsseite
- 21
- Öffnung
- 22
- äußere Kugelbahn
- 23
- innere Kugelbahn
- 24
- Zapfen
- A, A'
- Mittelpunktslinie
- Aa, Az, Ao
- Bahnabschnitt
- CR
- Referenzkreisbogen
- R
- Radius
- RR
- Referenzradius
- M
- Gelenkmittelpunkt
- EM
- Gelenkmittelebene
- T, T'
- Tangente
- α
- Tangentenwinkel
- β
- Gelenkbeugewinkel
- γ
- Bahnabschnittswinkel
- δ
- Maulöffnungswinkel
