DE102013205184B3

DE102013205184B3 - Zapfenkreuz eines Kreuzgelenks

Info

Publication number: DE102013205184B3
Application number: DE201310205184
Authority: DE
Inventors: Christoph Braun
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: US20140323233A1; US9284991B2; CN104074876B; CN104074876A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zapfenkreuz (1) eines Kreuzgelenks, umfassend einen Grundkörper (2), von dem aus sich vier Zapfen (3, 4, 5, 6) erstrecken, wobei jeder Zapfen (3, 4, 5, 6) einen zylindrischen Abschnitt (7) aufweist, der einen Durchmesser (D) und eine Länge (L) in Achsrichtung (A) des Zapfens (3, 4, 5, 6) aufweist. Um das Gewicht des Zapfenkreuzes zu reduzieren, sieht die Erfindung vor, dass die Zapfen (3, 4, 5, 6) als rohrförmige Struktur ausgebildet sind, wobei der Innendurchmesser (d) der rohrförmigen Struktur mindestens 67% des Außendurchmessers (D) der rohrförmigen Struktur beträgt, wobei das Zapfenkreuz (1) als einstückiges Bauteil ausgebildet ist, aus dem alle Zapfen (3, 4, 5, 6) sowie die Übergänge (8) zwischen den Zapfen (3, 4, 5, 6) ausgebildet sind, wobei die Zapfen (3, 4, 5, 6) in einen gemeinsamen Hohlraum (9) übergehen, der im Inneren des Zapfenkreuzes (1) ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zapfenkreuz eines Kreuzgelenks, umfassend einen Grundkörper, von dem aus sich vier Zapfen erstrecken, wobei jeder Zapfen einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der einen Außendurchmesser und eine Länge in Achsrichtung des Zapfens aufweist, wobei die Zapfen als rohrförmige Struktur ausgebildet sind, wobei der Innendurchmesser der rohrförmigen Struktur mindestens 67% des Außendurchmessers der rohrförmigen Struktur beträgt.
Im Stand der Technik sind Kreuzgelenke hinlänglich bekannt, deren zentraler Bestandteil ein Zapfenkreuz der genannten Art ist. Das Zapfenkreuz weist vier Zapfen mit einer zylindrischen Oberfläche auf, die an einem Grundkörper angeformt sind und die für die Aufnahme eines Lagers vorgesehen sind. Hierbei können sowohl Wälzlager (bevorzugt Nadelhülsen) als auch Gleitlager zum Einsatz kommen. Das Zapfenkreuz ist dabei als Massivteil ausgebildet, wobei gegebenenfalls kleine Zentrierbohrungen oder kleine Bohrungen zwecks Zuleitung von Schmiermittel im Bereich des zylindrischen Abschnitts eingebracht sein können.
Ein gattungsgemäßes Zapfenkreuz eines Kreuzgelenks ist aus der DE 69 32 698 U bekannt. Ähnliche und andere Lösungen zeigen die DE 2 403 001 B , die DE 1 298 786 A , die DE 196 35 734 A1 und die US 6 797 084 B2 .
Es hat sich gezeigt, dass die an sich angestrebte massive Ausbildung des Zapfenkreuzes und insbesondere der zylindrischen Abschnitte auch Nachteile haben kann. Hier ist zu nennen, dass die Anpassungsfähigkeit des zylindrischen Abschnitts bei verformungsbedingten Abweichungen von der Idealform kaum gegeben ist, so dass es im gegebenen Fall zu einem Kantentragen bei den Lagerungen kommen kann. Bei der Drehmomentübertragung entsteht am Ende des zylindrischen Abschnitts eines Zapfens eine Kontaktspannungsüberhöhung.
Des weiteren hat auch das sich ergebende Gewicht eine nachteilige Wirkung, insbesondere im Falle der Anwendung im Fahrzeugbereich (sowohl bei der Anwendung im PKW als auch im LKW).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Zapfenkreuz so fortzubilden, dass sich in einfacher Weise eine bessere Anpassbarkeit des Bauteils bei lastbedingten Verformungen ergibt. Ferner soll das Bauteil leichter ausgeführt werden, ohne die Festigkeit des Materials zu beeinträchtigen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenkreuz als einstückiges Bauteil ausgebildet ist, aus dem alle Zapfen sowie die Übergänge zwischen den Zapfen ausgebildet sind, wobei die Zapfen in einen gemeinsamen Hohlraum übergehen, der im Inneren des Zapfenkreuzes ausgebildet wird Alle Übergänge zwischen den Zapfen sind also als Wandungen ausgebildet, die im Inneren des Zapfenkreuzes einen Hohlraum belassen. Somit entsteht insgesamt eine rohrförmige, hohle Struktur des Zapfenkreuzes.
Das Innere mindestens einer der rohrförmigen Strukturen kann zur Versteifung des Zapfenkreuzes mit Metallschaum gefüllt sein; bevorzugt sind das Innere aller rohrförmigen Strukturen und der Hohlraum mit Metallschaum gefüllt.
Der Metallschaum besteht bevorzugt aus Aluminium oder er weist dieses Metall auf.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Zapfenkreuz durch einen Innenhochdruck-Umformprozess hergestellt ist. Es ist dabei bevorzugt aus einem Blechteil als Ausgangsprodukt des Innenhochdruck-Umformprozesses hergestellt.
Das Zapfenkreuz ist bevorzugt Bestandteil einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs. Weitere Anwendungen sind Kreuzgelenkbüchsen verschiedener Art.
Das erfindungsgemäße Konzept stellt also darauf ab, dass der zylindrische Abschnitt eines Zapfens des Zapfenkreuzes gezielt als Rohr ausgeführt wird. Bei entsprechender Ausgestaltung desselben nimmt die erforderliche Festigkeit des Bauteils nur unwesentlich ab, während gleichzeitig eine wesentlich bessere Anpassungsfähigkeit an Verformungen möglich ist. Hiermit kann gegebenenfalls ein Kantentragen bei der Lagerung vermieden werden. Der lokale Kontaktduck kann so abgebaut werden.
Ferner wird das Zapfenkreuz wesentlich leichter, was entsprechende Vorteile hat, insbesondere im Falle der Anwendung bei Kraftfahrzeugen. Hier ist insbesondere die Gelenkwelle betroffen, die insgesamt ein nicht unerhebliches Gewicht hat. Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall sind Gelenkwellen von Nutzfahrzeugen, da hier die Zapfenkreuze oft überdimensioniert sind.
Sehr vorteilhaft ist also neben dem geringeren Gewicht des Zapfenkreuzes eine höhere Flexibilität am Ende des Kreuzzapfens, wo die höchsten Kontaktspannungen durch verformungsbedingte Schiefstellung während des Betriebs entstehen. Eine höhere Flexibilität des Zapfenendbereiches kann die Spannungen im Wälzkörperkontakt minimieren und so zu einer längeren Lebensdauer beitragen.
Weiterhin kann auch Material eingespart werden, was zu entsprechenden Kostenvorteilen führt.
So entsteht eine relativ dünnwandige Blech-Struktur, die das Zapfenkreuz bildet und die nur so viel Material wie nötig einsetzt. Neben dem Vorteil der Material- und Gewichtseinsparung ergibt sich weiter vorteilhaft, dass die Fertigungstoleranzen klein gehalten werden können. Dies wird insbesondere beim Einsatz des Hydroforming erreicht.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 ein Zapfenkreuz eines Kreuzgelenks gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in der Vorderansicht und
2 die Ansicht C-C gemäß 1.
In den 1 und 2 ist ein Zapfenkreuz 1 zu sehen, das Bestandteil eines Kreuzgelenks ist, das wiederum Teil einer Gelenkwelle ist. Das Zapfenkreuz 1 hat einen (hohlen) Grundkörper 2, von dem aus sich vier Zapfen 3, 4, 5 und 6 erstrecken. Jeder Zapfen 3, 4, 5, 6 hat eine Achsrichtung A; die vier Achsen liegen alle in einer Ebene.
Jeder Zapfen 3, 4, 5, 6 hat einen zylindrischen Abschnitt 7, der durch einen Außendurchmesser D und eine Länge L in Achsrichtung A gekennzeichnet ist. Der zylindrische Abschnitt 7 dient mit seiner Außenumfangsfläche zur Anlage von Nadeln einer Nadelhülse, die zur Lagerung des Zapfenkreuzes an seinen Umgebungsbauteilen eingesetzt werden. Entsprechend können alternativ die zylindrischen Abschnitte 7 auch zur Gleitlagerung des Zapfenkreuzes 1 an seinen Umgebungsbauteilen genutzt werden.
Wesentlich ist, dass der zylindrische Abschnitt 7 nicht massiv ausgebildet ist, sondern rohrförmig. Demgemäß weist jeder Zapfen 3, 4, 5, 6 einen Innendurchmesser d auf (s. 2), der zusammen mit dem Außendurchmesser D und der Länge L die Geometrie des Rohres definiert. Der Innendurchmesser d beträgt dabei mindestens 50% des Außendurchmessers D, so dass sich im Vergleich mit einer Massivstruktur eine wesentlich leichtere Konstruktion ergibt.
Wie sich aus den geschnitten dargestellten Bereichen des Zapfenkreuzes 1 ergibt, ist auch der Übergang 8 zwischen den einzelnen Zapfen 3, 4, 5, 6 als schalenförmige bzw. hohle Struktur ausgebildet. Die Wandstärke kann in diesem Bereich etwas dicker sein als im Bereich der Zapfen 3, 4, 5, 6. Damit ergibt sich in Zentrum des Zapfenkreuzes 1 ein Hohlraum 9.
Zur Versteifung kann der Hohlraum 9 samt dem Inneren der rohrförmigen Strukturen der Zapfen 3, 4, 5, 6 mit Metallschaum gefüllt sein. Das Gewicht erhöht sich hierdurch nur unwesentlich, allerdings wird eine deutlich steifere Struktur erzielt.
Zur Herstellungsweise des Zapfenkreuzes sei folgendes angemerkt: Bevorzugt eingesetzt wird – wie oben bereits erläutert – das Hochdruck-Umformverfahren (auch „Hydroforming” genannt). Hierbei wird ein metallisches Rohrgebilde in einem geschlossenen Formwerkzeug mittels beispielsweise einer Wasser-Öl-Emulsion unter hohen Druck gesetzt, so dass sich das Material des Ausgangskörpers an die Werkzeugwandungen anlegt und zu einer gewünschten Form verformt wird. Wesentliche Prozessparameter sind dabei der Innendruck, der bei Serienfertigungen meist bis zu 3.000 bar beträgt.
Bezugszeichenliste

1: Zapfenkreuz
2: Grundkörper
3: Zapfen
4: Zapfen
5: Zapfen
6: Zapfen
7: zylindrischer Abschnitt
8: Übergang
9: Hohlraum
D: Durchmesser
d: Durchmesser
L: Länge
A: Achsrichtung des Zapfens

Claims

Zapfenkreuz (1) eines Kreuzgelenks, umfassend einen Grundkörper (2), von dem aus sich vier Zapfen (3, 4, 5, 6) erstrecken, wobei jeder Zapfen (3, 4, 5, 6) einen zylindrischen Abschnitt (7) aufweist, der einen Außendurchmesser (D) und eine Länge (L) in Achsrichtung (A) des Zapfens (3, 4, 5, 6) aufweist, wobei die Zapfen (3, 4, 5, 6) als rohrförmige Struktur ausgebildet sind, wobei der Innendurchmesser (d) der rohrförmigen Struktur mindestens 67% des Außendurchmessers (D) der rohrförmigen Struktur beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenkreuz (1) als einstückiges Bauteil ausgebildet ist, aus dem alle Zapfen (3, 4, 5, 6) sowie die Übergänge (8) zwischen den Zapfen (3, 4, 5, 6) ausgebildet sind, wobei die Zapfen (3, 4, 5, 6) in einen gemeinsamen Hohlraum (9) übergehen, der im Inneren des Zapfenkreuzes (1) ausgebildet wird.
Zapfenkreuz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere mindestens einer der rohrförmigen Strukturen mit Metallschaum gefüllt ist.
Zapfenkreuz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere aller rohrförmigen Strukturen und der Hohlraum mit Metallschaum gefüllt sind.
Zapfenkreuz nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus Aluminium besteht oder dieses Metall aufweist.
Zapfenkreuz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch einen Innenhochdruck-Umformprozess hergestellt ist.
Zapfenkreuz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Blechteil als Ausgangsprodukt des Innenhochdruck-Umformprozesses hergestellt ist.
Zapfenkreuz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs ist.