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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplungsvorrichtung, die zwei koaxiale Wellen mit einem Freiheitsgrad in der Translationsbewegung zueinander parallel zu ihrer gemeinsamen Achse umfasst, wobei diese um ihre gemeinsame Achse drehbar fest miteinander verbunden sind. Sie bezieht sich darüber hinaus auf eine Kraftfahrzeug-Lenksäule, in die eine solche Kupplungsvorrichtung eingebaut ist.
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BISHERIGER STAND DER TECHNIK
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Es gibt viele bekannte Beispiele für Kupplungsvorrichtungen mit zwei koaxialen Wellen, die einen Freiheitsgrad in der Translationsbewegung zueinander parallel zu ihrer gemeinsamen Achse aufweisen, wobei sie um ihre gemeinsame Achse drehbar fest miteinander verbunden sind. Einem bekannten Aufbau zufolge, wie er beispielsweise in Dokument
EP1065397 veranschaulicht ist, wird auf der ersten der beiden koaxialen Wellen eine umschließende Laufbahn ausgebildet, die sich parallel zur Bezugsachse erstreckt, wobei die andere der beiden koaxialen Wellen mit zwei, in der Translationsbewegung feststehenden, jedoch relativ zur zweiten Welle parallel zu einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse beweglichen Schienen ausgestattet ist, und sie jeweils eine komplementäre Laufbahn umfassen, wobei die komplementären Laufbahnen zueinander beabstandet und einander gegenüberliegend zu beiden Seiten einer durch die Wellenachse verlaufenden Bezugsebene angeordnet sind. Eine Reihe von Kugeln ist so positioniert, dass sie parallel zur Bezugsachse auf der umschließenden Laufbahn und den komplementären Laufbahnen rollt, um die beiden koaxialen Wellen in einer Translationsbewegung zueinander parallel zur Bezugsachse zu führen. Die Kugeln der Kugelreihe haben jeweils einen Kugelmittelpunkt, der auf der Bezugsebene liegt. Die Schienen werden durch elastische Mitteln, jeweils in einer Auflagerichtung an der Kugelreihe, parallel zu einer Querebene senkrecht zur Bezugsachse beansprucht, so dass die umschließende Laufbahn und die beiden komplementären Laufbahnen bei fehlender Torsionsbeanspruchung um die Bezugsachse zwischen den beiden koaxialen Wellen auf die Kugeln der Kugelreihe Auflagerkräfte anwenden, die sich ausgleichende Komponenten in der Querebene haben. Dadurch kann das Spiel zwischen den Laufbahnen und den Kugeln ausgeglichen werden, so dass die beiden koaxialen Wellen um die Bezugsachse drehbar fest miteinander verbunden sind.
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In Dokument W007017016 wird eine Kupplung zur Drehmomentübertragung mit zwei koaxialen Wellen beschrieben, die jeweils mit Laufbahnen versehen sind, auf denen Rollkörper rollen, um das relative Gleiten der beiden Wellen zu gewährleisten, und die mit zwei gegenüberliegenden Freilaufmechanismen versehen sind, die die relative Drehung der beiden Wellen um ihre Achse verhindern. Die beiden freilaufenden Räder werden durch zwei Kugelreihen gebildet, die in Umfangrichtung an den Wänden der beiden Wellen anliegend durch Distanzfedern in Abstand zueinander gehalten werden. Obwohl davon ausgegangen wird, dass die Kugeln beider Freilaufmechanismen ohne Torsionsmoment ungehindert in axialer Richtung rollen können, erweist sich die Vorrichtung in der Praxis als unbefriedigend, da diese stecken bleiben können, wenn man versucht, die beiden koaxialen Wellen ineinander zu schieben. Darüber hinaus benötigt die Vorrichtung zahlreiche Teile, da zwei Kugelreihen erforderlich sind.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Kupplungsvorrichtung zur Drehmomentübertragung mit einer vereinfachten und kompakten Struktur vorzuschlagen.
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Zu diesem Zweck wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Kupplungsvorrichtung mit zwei koaxialen Wellen vorgeschlagen, die sich um eine Bezugsachse der Kupplungsvorrichtung drehen können, wobei die beiden koaxialen Wellen aus einer rohrförmigen Außenwelle und einer Innenwelle bestehen; die Kupplungsvorrichtung umfasst des Weiteren eine Kugelführung mit Spielausgleich, die folgendes umfasst:
- - eine umschließende Laufbahn, die sich parallel zur Bezugsachse erstreckt und auf einer ersten der beiden koaxialen Wellen ausgebildet ist, wobei die umschließende Laufbahn zu beiden Seiten einer Bezugsebene der Kupplungsvorrichtung ausgebildet ist und die Bezugsachse auf der Bezugsebene liegt;
- - eine schräge Laufbahn, die auf der zweiten der beiden koaxialen Wellen ausgebildet ist und sich parallel zur Bezugsachse erstreckt;
- - eine Spielausgleichsschiene, wobei die Spielausgleichsschiene parallel zur Bezugsachse in Bezug auf eine zweite der beiden koaxialen Wellen translatorisch feststehend und in Bezug auf die zweite der beiden koaxialen Wellen parallel zu einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse beweglich ist, und eine komplementäre Laufbahn umfasst, wobei die schräge Laufbahn und die komplementäre Laufbahn zu beiden Seiten der Bezugsebene angeordnet und zur Bezugsebene gewandt sind,
- - eine Reihe von Kugeln, die so positioniert sind, dass sie parallel zur Bezugsachse auf der umschließenden Laufbahn, der schrägen Laufbahn und der komplementären Laufbahn rollen können, um die beiden koaxialen Wellen in einer translatorischen Bewegung zueinander parallel zur Bezugsachse zu führen, wobei die Kugeln der Kugelreihe jeweils einen Kugelmittelpunkt aufweisen, der entlang einer Ausrichtungsachse parallel zur Bezugsachse positioniert ist und auf der Bezugsebene liegt;
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Durch die Verwendung einer einzigen Spielausgleichsschiene gegenüber einer schrägen Laufbahn, die direkt auf der zweiten der beiden Wellen ausgebildet wurde, wird die Symmetrie der Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik aufgehoben, wodurch der Spielausgleichsmechanismus vereinfacht und kompakter wird.
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Die Spielausgleichsschiene ist vorzugsweise mit einer Kontaktfläche der zweiten der beiden koaxialen Wellen in Berührung. Die Kontaktfläche der zweiten der beiden koaxialen Wellen weist vorzugsweise im Querschnitt in jeder Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse eine einzige effektive Kontaktfläche mit der Spielausgleichsschiene auf. Die Kontaktfläche kann so angeordnet werden, dass eine translatorische Gleitbewegung der Spielausgleichsschiene auf der Kontaktfläche möglich ist, um den gewünschten Spielausgleich zu erzielen. In diesem Fall ist die Kontaktfläche vorzugsweise der Bezugsebene zugewandt und weist vorzugsweise im Querschnitt in der Querebene ein Profil auf, das sich einer Ausrichtungsachse der Kugelmittelpunkte nähert und sich dabei vom elastischen Element entfernt. Somit kann man die Spielausgleichsschiene mittels des elastischen Elements in einer Richtung beanspruchen, in der das Spiel zwischen den Kugeln und den Laufbahnen effektiv ausgeglichen wird.
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Alternativ kann die Auflagefläche so angeordnet werden, dass die Spielausgleichsschiene um eine Drehachse oder einen Momentanpol parallel zur Bezugsachse schwenkbar ist. In diesem Fall wird die Auflagefläche mit einer Konkavität oder Konvexität geformt, die komplementär zu einer entsprechenden Kontaktfläche der Spielausgleichsschiene ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsart weist die Kontaktfläche der zweiten der beiden koaxialen Wellen im Querschnitt in einer zur Bezugsachse senkrechten Schnittebene ein konkaves Profil, vorzugsweise ein kreisbogenförmiges Profil mit einem Krümmungsmittelpunkt auf, der nicht den gleichen Abstand von der Bezugsachse wie die Ausrichtungsachse der Kugelmitten hat und vorzugsweise auf der Bezugsebene liegt. Durch die Verschiebung der Spielausgleichsschiene auf der Kontaktfläche kann die komplementäre Laufbahn so positioniert werden, dass ein spielfreier Kontakt zwischen den Kugeln der Kugelreihe und der umschließenden Laufbahn, der geneigten Laufbahn und der komplementären Laufbahn entsteht.
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In einer besonders vorteilhaften Art der Ausführung beansprucht mindestens ein elastisches Element die Spielausgleichsschiene in einer Auflagerichtung an der Kugelreihe, parallel zu einer zur Bezugsachse senkrechten Querebene, so dass bei fehlendem Drehmoment um die Bezugsachse zwischen den beiden koaxialen Wellen die umschließende Laufbahn, die schräge Laufbahn und die komplementäre Laufbahn auf die Kugeln der Kugelreihe Auflagerkräfte anwenden, die sich gegenseitig ausgleichende Komponenten in der Querebene haben, und die beiden koaxialen Wellen um die Bezugsachse drehbar fest miteinander verbunden sind. In einer ersten Variante liegt das elastische Element an einer Auflagefläche der zweiten der beiden koaxialen Wellen an. Das elastische Element trägt zum Festklemmen der Kugeln in der Kugelreihe bei. Je nach Ausführung sind die Auflagefläche und die Kontaktfläche einander zugewandt. Die Auflagefläche steht vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu einer Ebene, die durch die Ausrichtungsachse und die Kontaktfläche zwischen der Spielausgleichsschiene und der Kontaktfläche verläuft. Ein wesentlicher Teil der Kräfte zwischen den Kugeln und der zweiten der koaxialen Wellen kann somit direkt über die Spielausgleichsschiene ohne das elastische Element übertragen werden.
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Je nach Ausführung weist die schräge Laufbahn im Querschnitt in einer Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse ein konkaves Profil auf, vorzugsweise ein kreisbogenförmiges Profil und hat vorzugsweise einen Krümmungsradius, der größer als der Radius der Kugeln der Kugelreihe ist.
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Nach einer Ausführungsart weist die umschließende Laufbahn zwei getrennte effektive Kontaktflächen mit jeder Kugel der Kugelreihe auf, wobei diese sich vorzugsweise zu beiden Seiten der Bezugsebene befinden. Für diese Ausführung kann man beispielsweise vorsehen, dass die umschließende Laufbahn im Querschnitt in einer Schnittfläche senkrecht zur Bezugsachse ein spitzbogenförmiges Profil aufweist, das zwei kreisbogenförmige Abschnitte umfasst, die der Bezugsebene zugewandt sind und vorzugsweise einen Krümmungsradius aufweisen, der größer ist als der Radius der Kugeln der Kugelreihe.
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Je nach Ausführung weist die komplementäre Laufbahn zwei getrennte effektive Kontaktflächen zu jeder Kugel der Kugelreihe auf. Vorzugsweise befinden sich die beiden getrennten effektiven Kontaktflächen zu beiden Seiten einer Ebene, die durch den Mittelpunkt der Kugeln der Kugelreihe verläuft und eine einzige effektive Kontaktfläche zwischen der Spielausgleichsschiene und der Kontaktfläche der zweiten der beiden koaxialen Wellen schneidet. In einer besonders einfachen Ausführung weist die komplementäre Laufbahn im Querschnitt in einer Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse ein konkaves Profil, vorzugsweise ein kreisbogenförmiges Profil auf, das vorzugsweise einen Krümmungsradius hat, der kleiner ist als der Radius der Kugeln der Kugelreihe.
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Die kreisbogenförmigen Profile haben den Vorteil, dass sie einfach herzustellen und zu kontrollieren sind.
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In einer alternativen Ausführungsart kann die schräge Laufbahn zwei getrennte effektive Kontaktflächen aufweisen, die eventuell auf zwei zueinander beabstandete Kontaktpunkte mit jeder Kugel in der Kugelreihe reduziert werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die komplementäre Laufbahn, die auf der Spielausgleichsschiene ausgebildet wird, nur eine einzige effektive, gegebenenfalls punktuelle Kontaktfläche mit jeder Kugel der Kugelreihe hat. Man kann insbesondere eine komplementäre Laufbahn mit einem konkaven Querprofil mit einem Krümmungsradius wählen, der größer ist als der Radius der Kugeln, oder eine komplementäre Laufbahn mit konvexem Querprofil.
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Je nach Ausführung umfasst die Kupplungsvorrichtung des Weiteren mindestens eine zusätzliche Führung, wobei jede zusätzliche Führung eine erste zusätzliche umschließende Laufbahn auf der ersten der beiden Wellen, und eine zweite zusätzliche umschließende Laufbahn auf der zweiten der beiden Wellen aufweist, und eine Reihe zusätzlicher Kugeln, die parallel zur Bezugsachse auf der ersten zusätzlichen umschließenden Laufbahn und der zweiten zusätzlichen Laufbahn rollen, wobei jede der zusätzlichen Kugeln zwei getrennte effektive Kontaktflächen mit der ersten zusätzlichen umschließenden Laufbahn und zwei getrennte effektive Kontaktflächen mit der zweiten zusätzlichen umschließenden Laufbahn hat. Die zusätzliche(n) Führung(en) haben somit keine Spielausgleichsschiene und kein elastisches Element.
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Je nach Art der Ausführung umfasst die Vorrichtung des Weiteren mindestens eine zusätzliche Führung, wobei jede zusätzliche Führung eine erste umschließende zusätzliche Laufbahn umfasst, die auf der ersten der beiden Wellen ausgebildet ist, eine zweite zusätzliche schräge Laufbahn, die auf der zweiten der beiden Wellen ausgebildet ist, eine dritte zusätzliche Laufbahn, die auf einer zusätzlichen Schiene, die in Bezug auf die zweite der beiden Wellen feststehend ist, ausgebildet ist, und eine Reihe von zusätzlichen Kugeln, die parallel zur Bezugsachse auf der ersten umschließenden zusätzlichen Laufbahn, der zweiten schrägen zusätzlichen Laufbahn, und der dritten zusätzlichen Laufbahn rollen, wobei jede der zusätzlichen Kugeln zwei getrennte effektive Kontaktflächen mit der ersten umschließenden zusätzlichen Laufbahn, mindestens eine effektive Kontaktfläche mit der zweiten schrägen zusätzlichen Laufbahn und mindestens eine effektive Kontaktfläche mit der dritten zusätzlichen Laufbahn aufweist, und dadurch, dass die Spielausgleichsschiene in einer Nut der zweiten der beiden Wellen aufgenommen ist, wobei die Nut ein bestimmtes Profil hat, wobei die zusätzliche Schiene in einer zusätzlichen Nut der zweiten der beiden Wellen mit einem Profil aufgenommen ist, das mit dem Profil der Nut identisch ist. Diese Anordnung vereinfacht die Montage, da die Nuten identisch sind und es zur Durchführung der Montage nicht notwendig ist, eine bestimmte Nut unter anderem zu erkennen. Die einzige Funktion der feststehenden zusätzlichen Schiene besteht somit darin, ausgehend von einer Nut, die zur Aufnahme der Spielausgleichsschiene und des elastischen Elements geformt ist, eine Form herzustellen, die zur Führung der zusätzlichen Kugeln geeignet ist.
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Je nach Ausführung ermöglicht mindestens ein axialer Anschlag das axiale Stoppen der Spielausgleichsschiene in Bezug auf die zweite der beiden Wellen, wobei der axiale Anschlag vorzugsweise mindestens ein an der zweiten der beiden Wellen oder an der Spielausgleichsschiene befestigtes angesetztes Teil oder mindestens eine auf der zweiten der beiden Wellen geformte Schulter umfasst, die mit der Spielausgleichsschiene in Berührung kommen kann.
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In einer an sich bekannten Weise kann die Kupplungsvorrichtung vorzugsweise bei Austreten der Kugeln ausfallsicher arbeiten. Zu diesem Zweck weist die Außenwelle vorzugsweise mindestens einen ersten Anschlag auf, der gegenüber und beabstandet von einem ersten Gegenanschlag der Innenwelle angeordnet ist, wobei der erste Anschlag und der erste Gegenanschlag einander berühren können, um die beiden koaxialen Wellen, die sich in einer ersten Drehrichtung um die Bezugsachse drehen, bei einem Austreten der Kugeln der Kugelreihe fest miteinander zu verbinden, wobei die Außenwelle mindestens einen zweiten Anschlag aufweist, der gegenüber und beabstandet von einem zweiten Gegenanschlag der Innenwelle angeordnet ist, wobei der zweite Anschlag und der zweite Gegenanschlag in Berührung kommen können, um die beiden koaxialen Wellen, die sich in einer zweiten Drehrichtung um die Bezugsachse drehen, im Falle eines Austretens der Kugeln der Kugelreihe fest miteinander zu verbinden.
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Die beiden koaxialen Wellen können aus Stahl gefertigt sein, wobei die Laufbahnen und bei Bedarf die Laufspuren durch Bearbeitung, mit oder ohne Wärmebehandlung, geformt werden. Alternativ können zur Formung der koaxialen Wellen leichte Materialien, wie Leichtmetalle oder Verbundwerkstoffe, gewählt werden. In diesem Fall können die Laufbahnen und gegebenenfalls die Laufspuren angesetzt werden, um die gewünschte Härte aufzuweisen.
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Einer anderen Ausführungsart zufolge ist die erste der beiden Wellen die rohrförmige Außenwelle.
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Alternativ dazu kann die erste der beiden Wellen die Innenwelle sein.
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Einem weiteren Aspekt der Erfindung zufolge betrifft diese eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, das eine Kupplungsvorrichtung wie oben beschrieben, ein Lenkrad, das drehbar mit einer der beiden koaxialen Wellen verbunden ist, und ein Antriebselement, das fest mit der anderen der beiden koaxialen Wellen verbunden ist, umfasst.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die im Anhang beigefügten Abbildungen:
- [ ] ist eine schematische Darstellung eines Lenkmechanismus eines Kraftfahrzeugs.
- [ ] ist eine perspektivische Ansicht einer Kupplungsvorrichtung des Mechanismus der nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung.
- [ ] ist eine Explosionszeichnung der Kupplungsvorrichtung von .
- [ ] ist eine Querschnittsansicht der Kupplungsvorrichtung von in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine schematische Darstellung, die die Kontaktpunkte zwischen den Teilen der Kupplungsvorrichtung von im Querschnitt darstellt.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung ach einer vierten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer fünften Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer sechsten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer siebten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer achten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
- [ ] ist eine Querschnittsansicht einer Kupplungsvorrichtung nach einer neunten Ausführungsart der Erfindung in einer Nennbetriebsposition.
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Zur besseren Übersichtlichkeit werden identische oder ähnliche Elemente auf allen Abbildungen durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSARTEN
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In wird ein Lenkmechanismus 1 für Kraftfahrzeuge gezeigt, der eine Lenksäule 2 umfasst, die ein Lenkrad 3 mit einem Lenkgetriebe 4 verbindet, um eine Winkelbewegung vom Lenkrad 3 auf das Lenkgetriebe 4 zu übertragen. Die Lenksäule 2 ist unterteilt in einen oberen Teil der Säule 5, an dem das Lenkrad 3 befestigt ist, und einen Zwischenteil 6, auch Zwischenachse genannt, der mit dem Lenkgetriebe 4 und dem oberen Teil der Säule 5 durch Kardangelenke 7, 8 verbunden ist. Die Zwischenachse 6 ermöglicht die Angleichung des Abstands zwischen den Kardangelenken 7, 8 beim Zusammenfügen für eine leichtere Montage des Lenkgetriebes 4, zwecks Anpassung an die durch den Straßenbelag und im Fall eines Frontalaufpralls erzeugten Fahrzeugschwingungen während des Fahrzeugbetriebs. Sie ermöglicht darüber hinaus die Übertragung des Drehmoments in beiden Drehrichtungen um ihre Achse.
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Zu diesem Zweck bildet die Zwischenachse 6 eine Kupplungsvorrichtung, die in den und ausführlich dargestellt ist und die zwei koaxiale Wellen umfasst, nämlich eine rohrförmige Außenwelle 10 und eine Innenwelle 12, die in der Außenwelle 10 parallel zu einer Bezugsachse 100 der Kupplungsvorrichtung 6 gleiten kann, wobei jede der Wellen 10, 12 an ihrem freien Ende mit einem Kardangelenk 7A, 8A versehen ist.
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Das relative Gleiten der beiden koaxialen Wellen 10, 12 erfolgt hier durch eine einzige Kugelführung mit Spielausgleich 14 und eine zusätzliche Kugelführung 16, die sich diametral zu beiden Seiten der gemeinsamen Bezugsachse der beiden Wellen befindet, wie in dargestellt. Diese beiden Führungen haben außerdem die Aufgabe, das Drehmoment vollständig und ohne Spiel um die Bezugsachse 100 herum zu übertragen.
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Die Kugellagerführung 14 mit Spielausgleich weist eine umschließende Laufbahn 18 auf, die sich parallel zur Bezugsachse 100 erstreckt und auf einer ersten der beiden koaxialen Wellen, in diesem Fall der Außenwelle 10, ausgebildet wird. Sie umfasst darüber hinaus eine schräge Laufbahn 20, die auf der zweiten der beiden koaxialen Wellen, hier der Innenwelle 12, ausgebildet ist und sich parallel zur Bezugsachse 100 erstreckt, und eine komplementäre Laufbahn 22, die auf einer Spielausgleichsschiene 24 ausgebildet ist, die in einer Nut 26 der Innenwelle 12 aufgenommen ist. Die umschließende Laufbahn 18, die schräge Laufbahn 20 und die komplementäre Laufbahn 22 bilden zusammen einen rohrförmigen Hohlraum, in dem Kugeln 28 aufgenommen sind, die eine Reihe von Kugeln gleichen Durchmessers bilden, wobei die Mittelpunkte C der Kugeln 28 auf einer Ausrichtungsachse parallel zur Bezugsachse 100 ausgerichtet sind.
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Die schräge Laufbahn 20 und die komplementäre Laufbahn 22 befinden sich zu beiden Seiten einer Bezugsebene P, die die Bezugsachse 100 und die Ausrichtungsachse der Mittelpunkte C der Kugeln 28 enthält. Die umschließende Laufbahn 18 weist im Querschnitt in der Schnittebene der und , die senkrecht zur Bezugsachse 100 verläuft, ein spitzbogenförmiges, zur Bezugsebene P symmetrisches Profil auf, das zwei kreisbogenförmige Abschnitte umfasst, die sich zu beiden Seiten der Bezugsebene P befinden, die einem Krümmungsradius haben, der größer ist als der Radius der Kugeln 28 der Kugelreihe, so dass jede der Kugeln 28 in der Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse und durch ihre Mitte hindurch eine einzige effektive, gegebenenfalls punktuelle Kontaktfläche mit jedem der beiden kreisbogenförmigen Abschnitte hat, wie in dargestellt. Die schräge Laufbahn 20 weist im Querschnitt in jeder Ebene parallel zur Schnittebene der und ein konkaves, vorzugsweise kreisbogenförmiges Profil auf, das vorzugsweise einen Krümmungsradius hat, der größer ist als der Radius der Kugeln 28 der Kugelreihe, so dass zwischen jeder Kugel 28 und der schrägen Laufbahn 20 keine effektive Kontaktfläche, auch nicht punktuell vorhanden ist. Die komplementäre Laufbahn 22 weist im Querschnitt in jeder Schnittebene parallel zur Schnittebene der und ein konkaves oder spitzbogenförmiges Profil auf, mit zwei Kreisbögen, deren Radius größer ist als der Radius der Kugeln 28, so dass es zwei getrennte effektive, gegebenenfalls punktuelle Kontaktflächen mit jeder der Kugeln 28 der Kugelreihe aufweist.
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Die Spielausgleichsschiene 24 ist mit einer Kontaktfläche 30 in Berührung, die eine Wand der Nut 26 der Innenwelle 12 bildet. Diese Kontaktfläche 30 ist zur Bezugsebene P gerichtet und weist im Querschnitt in einer Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse 100 ein konkaves, vorzugsweise kreisbogenförmiges Profil auf, das vorzugsweise einen in der Bezugsebene P, vorzugsweise zwischen der Bezugsachse 100 und der Ausrichtungsachse der Mittelpunkte der Kugeln 28 der Kugelreihe liegenden Krümmungsmittelpunkt D hat. Somit weist die vorliegende Kontaktfläche 30 im Querschnitt in jeder Ebene parallel zur Schnittebene der und ein Profil auf, das sich einer Ausrichtungsachse der Mittelpunkte der Kugeln 28 nähert, während es sich gleichzeitig von der Bezugsachse 100 entfernt.
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Die Spielausgleichsschiene 24 weist im Querschnitt in jeder Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse 100 eine konvexe Kontaktfläche mit der konkaven Kontaktfläche 30 der Innenwelle 12 auf, wobei diese konvexe Fläche einen geringeren Krümmungsradius als die konkave Kontaktfläche 30 hat, so dass im Querschnitt in jeder Schnittebene senkrecht zur Bezugsachse 100 nur eine effektive, gegebenenfalls punktuelle Kontaktfläche zwischen der Spielausgleichsschiene 24 und der konkaven Kontaktfläche 30 existiert.
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Die Kugelführung 14 mit Spielausgleich umfasst des Weiteren ein elastisches Element 32, das hier aus einem Wellenfederblatt besteht, das die Spielausgleichsschiene 24 in einer Auflagerichtung gegen die Kugelreihe 28 parallel zu einer Querebene senkrecht zur Bezugsachse beansprucht. Das elastische Element 32 wird gegen eine Auflagefläche 34 der Innenwelle 12 abgestützt, die sich gegenüber und beabstandet zu einer Ebene Q befindet, die durch die Mittelpunkte C der Kugeln der Kugelreihe 28 verläuft und eine Kontaktfläche zwischen der Spielausgleichsschiene 24 und der Kontaktfläche 30 der Innenwelle 12 schneidet.
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Die jeweiligen Anordnungen und Ausrichtungen der komplementären Laufbahn 22 und der Kontaktfläche 30 sind dergestalt, dass die von den Kugeln 28 auf die Spielausgleichsschiene 24 ausgeübten Kräfte mit nur geringer Beanspruchung des elastischen Elements 32 auf die Kontaktfläche 30 übertragen werden. Zu diesem Zweck ist die Krümmung der Kontaktfläche 30, die in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse 100 festgestellt wird, dergestalt, dass an jedem Punkt der Kontaktfläche 30 der Krümmungsmittelpunkt D nahe der Ausrichtungsachse der Mittelpunkte C der Kugeln 28 ist und vorzugsweise auf der Bezugsebene P zwischen der Bezugsachse 100 und der Ausrichtungsachse der Mittelpunkte C der Kugeln 28 näher an dieser als an der Bezugsachse 100 liegt.
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Somit ist die Resultante der durch die Kugeln 28 einerseits und die Kontaktfläche 30 mit der Innenwelle 12 andererseits auf die Spielausgleichsschiene 24 ausgeübten Kräfte ungleich Null und wird durch eine Kraft kompensiert, die vom elastischen Element 32 ausgeübt wird. Diese Resultante ist eine steigende Funktion des Drehmoments, das zwischen den beiden koaxialen Wellen 10, 12 angewendet wird.
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Zu diesem Zweck ist das elastische Mittel 32 so beschaffen, dass unabhängig von der Position der Spielausgleichsschiene 24 die vom elastischen Element 32 auf die Spielausgleichsschiene 24 ausgeübte Kraft ausreicht, um die Resultante der anderen, auf die Spielausgleichsschiene 24 angewandten Kräfte für den gesamten, während des Betriebs zulässigen Drehmomentbereich und insbesondere für das während des Betriebs maximal zulässige Drehmoment auszugleichen.
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In der Praxis wird die relative Ausrichtung der Kontaktfläche 30 und der Auflagefläche 34 so gewählt, dass ein hohes Proportionalitätsverhältnis, vorzugsweise größer als 10 und vorzugsweise größer als 50, zwischen dem Modul der Kontaktkraft zwischen der Spielausgleichsschiene 24 und der Kontaktfläche 30 und dem Modul der Resultanten der Kräfte zwischen dem elastischen Element 32 und der Spielausgleichsschiene 24 besteht.
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Die zusätzliche Kugelführung 16 umfasst eine zusätzliche erste umschließende Laufbahn 36, die auf der Außenwelle 10 ausgebildet ist, eine zusätzliche zweite umschließende Laufbahn 38, die auf der Innenwelle 12 ausgebildet ist, und eine zusätzliche Kugelreihe 40, damit die Kugeln parallel zur Bezugsachse 100 auf der zusätzlichen ersten umlaufenden Laufbahn 36 und der zusätzlichen zweiten umlaufenden Laufbahn 38 rollen können, wobei jede der zusätzlichen Kugeln 40 vorzugsweise zwei getrennte effektive Kontaktflächen, gegebenenfalls punktuell, mit der ersten zusätzlichen umschließenden Laufbahn 36 und zwei getrennte effektive Kontaktflächen, eventuell punktuell, mit der zweiten zusätzlichen umschließenden Laufbahn 38 hat.
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An den Enden der Innenwelle 12 sind axiale Sicherungsscheiben 42, 44 montiert, um zum einen die Spielausgleichsschiene 24 parallel zur Bezugsachse 100 in der Translationsbewegung mit der Innenwelle 12 fest zu verbinden und zum andern das Austreten der Kugeln 28, 40 aus den beiden Kugelreihen zu verhindern.
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Die Montage der Kupplungsvorrichtung ist besonders einfach. Zunächst wird die Innenwelle 12 in der Außenwelle 10 positioniert, dann werden die zusätzlichen Kugeln 40 der zusätzlichen Kugelreihe 40 eingesetzt, dann die Spielausgleichsschiene 24 und das elastische Element 32, das in einem komprimierten Zustand gehalten wird, um die Kugeln 28 der Kugelreihe 28 einzusetzen, bevor schließlich das elastische Element 32 gelöst und die Sicherungsscheiben 42 positioniert werden. Nach der Montage ist die Baugruppe isostatisch für Bewegungen in jeder Ebene senkrecht zur Bezugsachse 100.
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Wird kein Drehmoment um die Bezugsachse 100 zwischen den beiden koaxialen Wellen 10, 12 ausgeübt, hat die Summe der auf jede Kugel 28, 40 ausgeübten Kräfte eine Nullkomponente in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse 100: die umschließende Laufbahn 18, die schräge Laufbahn 20 und die komplementäre Laufbahn 22 wenden Auflagerkräfte auf die Kugeln 28 der Kugelreihe 28 an, mit Komponenten in der Querebene, die sich ausgleichen. Die von der komplementären Laufbahn 22 angewandte Kraft wird durch die Spannung des elastischen Mittels 32 bestimmt.
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Wenn ein Drehmoment auf eine der Wellen 10, 12 angewandt wird, ändert sich die Verteilung des Kontaktdrucks zwischen den Kugeln 28 und den Laufbahnen 18, 20, 22, um die Übertragung des Drehmoments auf die andere Welle 12, 10 zu gewährleisten, das elastische Mittel 32 gewährleistet jedoch in jedem Fall einen kontinuierlichen Kontakt zwischen den Kugeln 28 und den Laufbahnen 18, 20, 22.
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Auch ein ausfallsicherer Betrieb wird ermöglicht durch Winkelanschläge 46, die auf der Außenwelle, gegenüber, in geringem Abstand zu den entsprechenden, auf der Innenwelle ausgebildeten Gegenanschlägen 48 ausgebildet sind: Treten die Kugeln 28,40 aus einer der beiden Kugelreihen aus, wird ein auf beide Wellen 10, 12 angewendetes Drehmoment nach einem eventuellen Drehwinkel, der der Entfernung zwischen den Anschlägen 46 und den gegenüberliegenden Gegenanschlägen 48 entspricht, auf die andere Welle 12, 10 übertragen.
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Natürlich sind viele Varianten möglich.
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Nach einem zweiten, in dargestellten Ausführungsart weist die zweite der beiden Wellen an der zusätzlichen Kugelführung 16 eine zusätzliche Nut 126 auf, die symmetrisch zur Nut 26 in Bezug auf die Bezugsachse 100 verläuft, so dass die Innenwelle 12 insgesamt eine Rotationssymmetrie der Ordnung 2 um die Bezugsachse 100 aufweist. In der Praxis weist die zusätzliche Kugelführung 16 eine erste zusätzliche Laufbahn 136 auf der Außenwelle, eine zweite zusätzliche Laufbahn 138 auf der Innenwelle und eine dritte zusätzliche Laufbahn 139 auf einer zusätzlichen Schiene 124 auf, die in der zusätzlichen Nut 126 gelagert ist. Die zusätzliche Schiene 124 hat keine Spielausgleichsfunktion und ist in Bezug auf die Innenwelle 12 feststehend. Insbesondere gibt es kein zusätzliches elastisches Element, das die zusätzliche Schiene 124 beansprucht. Die zusätzliche Kugelreihe 40 kann somit parallel zur Bezugsachse 100 auf der ersten zusätzlichen Laufspur 136, der zweiten zusätzlichen Laufspur 138 und der dritten zusätzlichen Laufspur 139 rollen.
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Gemäß der Ausführung von besteht das elastische Element 32 aus einem oder mehreren Elastomerteilen, sofern die auf die Spielausgleichsschiene 24 angewandten Kräfte relativ gering sind.
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Gemäß der Ausführung von sieht man an der Außenwelle 10 und der Innenwelle 12 zwei gerade Flanken 146, 148 vor, die beim Austreten der Kugeln als Winkelanschläge und Gegenanschläge zwischen den beiden Wellen 10, 12 dienen.
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Gemäß den Ausführungsarten der und kann die rohrförmige Außenwelle 10 mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke, insbesondere in Höhe der umschließenden Laufbahnen 18, 36 durch Strecken hergestellt werden.
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Gemäß der Ausführung von weist mindestens eine der inneren und äußeren Wellen 10,12 einen Körper 110,120 auf, der aus einem leichten Material hergestellt ist, zum Beispiel Aluminium oder einem Verbundmaterial, das nicht die Härte aufweist, die erforderlich ist, um die Laufbahnen direkt darauf auszubilden, und einen Einsatz 112, 122, auf dem mindestens eine Laufbahn 18, 20, 36, 38 ausgebildet ist.
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Gemäß der Ausführung von liegt die Spielausgleichsschiene 24 an einer Kontaktfläche 130 der Außenwelle 10 an und das elastische Element 32 ist zwischen der Außenwelle 10 und der Spielausgleichsschiene 24 positioniert. Die schräge Laufbahn 20 wird auf der Außenwelle 10 und die umschließende spitzbogenförmige Laufbahn 18 auf der Innenwelle 12 ausgebildet.
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Bei der Ausführung von sind anstelle einer zusätzlichen Führungsvorrichtung 16 zwei vorgesehen. Die drei Führungsvorrichtungen 14, 16, 16 sind vorzugsweise in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet. Theoretisch können mehr als zwei zusätzliche Führungsvorrichtungen vorgesehen werden.
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In einer nicht dargestellten Ausführung kann die eine und/oder die andere der axialen Sicherungsscheiben 42, 44 durch Nocken ersetzt werden, die an der Innenwelle 12 und/oder der Außenwelle 10 ausgebildet sind.
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Die komplementäre Laufbahn 22 kann im Querschnitt in jeder Schnittebene parallel zur Schnittebene der und einen kreisbogenförmigen Nocken mit einem Radius aufweisen, der größer ist als der Radius der Kugeln 28, so dass nur eine effektive, gegebenenfalls punktuelle, Kontaktfläche mit jeder der Kugeln 28 der Kugelreihe vorhanden ist.
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Die in den Abbildungen dargestellten und oben erläuterten Beispiele dienen natürlich nur der Veranschaulichung und sind nicht erschöpfend. Es ist ausdrücklich vorgesehen, dass die veranschaulichten Ausführungsarten zum Vorschlagen weiterer Ausführungsarten miteinander kombiniert werden können.
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Die Innenwelle 12 kann entweder massiv oder rohrförmig sein.
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Es wird betont, dass alle Merkmale, wie sie sich für einen Fachmann aus dieser Beschreibung, den Zeichnungen und dazugehörigen Ansprüchen ergeben, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten Merkmale beschrieben werden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen mit anderen hier offenbarten Merkmalen oder Merkmalsgruppen kombiniert werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Umstände solche Kombinationen unmöglich oder unzweckmäßig machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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