DE102020212991A1 - Tripod joint and method for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Ein Tripodegelenk (1) umfasst ein Gelenkaußenteil (20) mit Laufbahnpaaren (21), einen Tripodestern (10) mit radial abstehenden Zapfen (12) sowie Rollelemente (13), die an den Zapfen (12) des Tripodesterns (10) um die Längsachse (Z) des jeweiligen Zapfens (12) drehbar gelagert sind. Jedes Rollelement (13) weist einen Außenring (14) mit einem Außenumfang (14a) zum Abrollen entlang eines Laufbahnpaars (21) des Gelenkaußenteils (20), einen Innenring (15), der mit seinem Innenumfang (15a) mit einem der Zapfen (12) des Tripodesterns (10) in Kontakt steht, sowie Nadeln (16), die in einem Ringraum (17) zwischen einem Außenumfang (15b) des Innenrings (15) und einem Innenumfang (14b) des Außenrings (14) um den Zapfen (12, 12') herum angeordnet sind, auf. Der Innenumfang (15a) des Innenrings (15) des Rollelements (13) weist in Drehrichtung (D) des Tripodesterns (10) zu dem zugehörigen Zapfen (12) ein Kopfspiel (KS) zur Oberfläche des Zapfens (12) auf, welches sich zu zwei Kontaktstellen (K1, K2) am Zapfen (12) beidseits außerhalb der Drehrichtung (D) hin verringert. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tripodegelenks angegeben.A tripod joint (1) comprises an outer joint part (20) with pairs of raceways (21), a tripod star (10) with radially projecting pins (12) and rolling elements (13) which are mounted on the pins (12) of the tripod star (10) around the longitudinal axis (Z) of the respective pin (12) are rotatably mounted. Each rolling element (13) has an outer ring (14) with an outer circumference (14a) for rolling along a pair of raceways (21) of the outer joint part (20), an inner ring (15) whose inner circumference (15a) is connected to one of the journals (12 ) of the tripod star (10) is in contact, and needles (16) which are in an annular space (17) between an outer circumference (15b) of the inner ring (15) and an inner circumference (14b) of the outer ring (14) around the journal (12 , 12') are arranged around, on. The inner circumference (15a) of the inner ring (15) of the rolling element (13) has a head clearance (KS) to the surface of the pin (12) in the direction of rotation (D) of the tripod star (10) to the associated pin (12), which two contact points (K1, K2) on the pin (12) on both sides outside the direction of rotation (D) are reduced. Furthermore, a method for producing such a tripod joint is specified.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Tripodegelenk, umfassend ein Gelenkaußenteil mit Laufbahnpaaren, einen Tripodestern mit radial abstehenden Zapfen, und Rollelemente, die an den Zapfen des Tripodesterns um die Längsachse des jeweiligen Zapfens drehbar gelagert sind, wobei jedes Rollelement einen Außenring mit einem Außenumfang zum Abrollen entlang eines Laufbahnpaars des Gelenkaußenteils, einen Innenring, der mit seinem Innenumfang mit einem der Zapfen des Tripodesterns in Kontakt steht, sowie Nadeln, die in einem Ringraum zwischen einem Außenumfang des Innenrings und einem Innenumfang des Außenrings um den Zapfen herum angeordnet sind, aufweist.The invention relates to a tripod joint, comprising an outer joint part with pairs of raceways, a tripod star with radially projecting pins, and rolling elements which are mounted on the pins of the tripod star so as to be rotatable about the longitudinal axis of the respective pin, each rolling element having an outer ring with an outer circumference for rolling along a pair of raceways of the outer joint part, an inner ring whose inner circumference is in contact with one of the journals of the tripod star, and needles which are arranged in an annular space between an outer circumference of the inner ring and an inner circumference of the outer ring around the journal.
In Seitenwellen von Kraftfahrzeugen werden Gleichlaufgelenke eingesetzt, um das Antriebsmoment eines Fahrzeugantriebs an die Fahrzeugräder zu übertragen. Dabei müssen nicht nur Winkelveränderungen zwischen den Fahrzeugrädern und einem Fahrzeugantrieb ausgeglichen, sondern auch Längenveränderungen kompensiert werden. Bei Gleichlaufgelenkwellen, die als Seitenwellen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist daher üblicherweise das radseitige Gleichlaufgelenk als Festgelenk ausgebildet, wohingegen das getriebeseitige Gleichlaufgelenk in der Regel eine axiale Verschiebemöglichkeit aufweist. Die maximalen Beugewinkel des Gleichlaufgelenks an der Radseite liegen in der Größenordnung von ca. 45 bis 50 Grad, während die maximalen Beugewinkel des Gleichlaufgelenks an der Seite des Fahrzeugantriebs mit maximal ca. 24 Grad deutlich kleiner sind. Für die Fahrzeugantriebsseite geeignete Gleichlaufgelenke können beispielsweise als Kugelverschiebegelenke oder als Tripodegelenke ausgeführt werden.Constant velocity joints are used in sideshafts of motor vehicles in order to transmit the drive torque of a vehicle drive to the vehicle wheels. Not only must angle changes between the vehicle wheels and a vehicle drive be compensated, but length changes must also be compensated. In the case of constant velocity joint shafts that are used as side shafts in motor vehicles, the constant velocity joint on the wheel side is therefore usually designed as a fixed joint, whereas the constant velocity joint on the transmission side usually has an axial displacement option. The maximum deflection angles of the constant velocity joint on the wheel side are in the order of approx. 45 to 50 degrees, while the maximum deflection angles of the constant velocity joint on the vehicle drive side are significantly smaller at a maximum of approx. 24 degrees. Constant velocity joints suitable for the vehicle drive side can be designed, for example, as plunging ball joints or as tripod joints.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Tripodegelenke, welche im Vergleich zu VL-Kugelverschiebegelenken einen besseren Wirkungsgrad aufweisen.The present invention relates to such tripod joints, which have a better efficiency compared to VL ball plunging joints.
Tripodegelenke der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus
Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen ergibt sich für die Seitenwellen ein anspruchsvolleres Belastungskollektiv. Dies betrifft in Tripodegelenken insbesondere die Rollelemente in Bezug auf Pittingbildung und die Beanspruchung der Nadeln.With the increasing spread of electric vehicles, there is a more demanding collective load for the sideshafts. In tripod joints, this applies in particular to the rolling elements with regard to pitting and the stress on the needles.
Abhilfe besteht in der Verwendung größerer Tripodegelenke, womit allerdings der benötigte Bauraum und das Gewicht zunehmen. Größere Baugrößen sind zudem aufgrund geringer Produktionsstückzahlen bisher überproportional teuer.The remedy is to use larger tripod joints, which, however, increases the space required and the weight. Larger sizes have also been disproportionately expensive due to the low production numbers.
Alternativ können die bereits erwähnten VL-Kugelverschiebegelenke verwendet werden. Dies geht jedoch auf Kosten des Wirkungsgrads und impliziert dementsprechend einen erhöhten Energieverbrauch, was gerade bei Elektrofahrzeugen wegen begrenzter Batteriekapazitäten problematisch ist.Alternatively, the already mentioned VL plunging ball joints can be used. However, this is at the expense of efficiency and accordingly implies increased energy consumption, which is problematic in electric vehicles in particular because of the limited battery capacity.
Aus
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Tripodegelenk der eingangs genannten Art für anspruchsvollere Belastungskollektive zu ertüchtigen.Against this background, the object of the invention is to improve a tripod joint of the type mentioned at the outset for more demanding collective loads.
Diese Aufgabe wird durch ein Tripodegelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Tripodegelenk umfasst ein Gelenkaußenteil mit Laufbahnpaaren, einen Tripodestern mit radial abstehenden Zapfen, und Rollelemente, die an den Zapfen des Tripodesterns um die Längsachse des jeweiligen Zapfens drehbar gelagert sind, wobei jedes Rollelement einen Außenring mit einem Außenumfang zum Abrollen entlang eines Laufbahnpaars des Gelenkaußenteils, einen Innenring, der mit seinem Innenumfang mit einem der Zapfen des Tripodesterns in Kontakt steht, sowie Nadeln, die in einem Ringraum zwischen einem Außenumfang des Innenrings und einem Innenumfang des Außenrings um den Zapfen herum angeordnet sind, aufweist. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Innenumfang des Innenrings des Rollelements in Drehrichtung des Tripodesterns zu dem zugehörigen Zapfen ein Kopfspiel zu der Oberfläche des Zapfens aufweist, welches sich zu zwei Kontaktstellen am Zapfen beidseits außerhalb der Drehrichtung hin verringert.This object is achieved by a tripod joint according to
Über den so abgestützten Innenring wird eine bessere Kraftverteilung innerhalb des Gelenks erzielt, welche sich in einer erhöhten Lebensdauer und/oder einer erhöhten Belastbarkeit niederschlägt.A better force distribution within the joint is achieved via the inner ring supported in this way, which is reflected in an increased service life and/or increased resilience.
Eine in Drehrichtung des Tripodesterns wirkende Last wird somit auf zwei Bereiche beidseits der eigentlichen Drehrichtung verteilt, wodurch sich die Beanspruchung der Komponenten des Rollelements vermindert. Die maximalen Hertz'schen Pressungen im Tripodegelenk werden verringert.A load acting in the direction of rotation of the tripod star is thus distributed over two areas on either side of the actual direction of rotation, which reduces the stress on the components of the rolling element. The maximum Hertzian pressures in the tripod joint are reduced.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.Special embodiments of the invention are the subject of further patent claims.
Vorzugsweise liegt ein Kontaktwinkel an den Kontaktstellen in einem Bereich von 5° bis 35°. Der Kontaktwinkel einer Kontaktstelle am Zapfen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Zapfens ist dabei definiert als der Winkel zwischen einer Geraden durch eine Kontaktstelle und den Durchdringungspunkt der Längsachse des Zapfens durch besagte Ebene mit einer Geraden in Drehrichtung des Tripodesterns durch den Durchdringungspunkt der Längsachse des Zapfens durch besagte Ebene. Experimente haben gezeigt, dass hierdurch eine besonders gute Kraftverteilung innerhalb des Tripodegelenks erzielt werden kann.A contact angle at the contact points is preferably in a range from 5° to 35°. The contact angle of a contact point on the pin in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the pin is defined as the angle between a straight line through a contact point and the point of penetration of the longitudinal axis of the pin through said plane with a straight line in the direction of rotation of the tripod star through the point of penetration of the longitudinal axis of the pin through said level. Experiments have shown that a particularly good distribution of force within the tripod joint can be achieved in this way.
Der Kontaktwinkel der beiden Kontaktstellen kann dabei betragsmäßig verschieden sein. Bevorzugt wird jedoch ein Kontaktwinkel, der für beide Kontaktstellen beidseits der Drehrichtung dem Betrag nach gleich groß ist.The contact angle of the two contact points can be different in absolute terms. However, preference is given to a contact angle which is of the same magnitude for both contact points on both sides of the direction of rotation.
Die Kontaktstellen sind in einer Querschnittsebene senkrecht zur Längsachse des Zapfens idealerweise Punkte, erstrecken sich real jedoch über gewisse Bogenabschnitte der Oberfläche des Zapfens in Richtung um die Längsachse desselben herum. Für geometrische Betrachtungen kann die Mitte eines solchen Bogenabschnitts als relevanter Kontaktpunkt betrachtet werden.The contact points are ideally points in a cross-sectional plane perpendicular to the longitudinal axis of the spigot, but actually extend over certain arcuate sections of the surface of the spigot in the direction around the longitudinal axis of the same. For geometric considerations, the center of such an arc section can be considered as a relevant contact point.
In einer bevorzuge Ausführungsart ist das Kopfspiel KS zwischen dem Innenring des Rollelements und dem Außenumfang des Zapfens an seiner in Drehrichtung weisenden Stelle wie folgt bestimmt:
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist zur Bereitstellung des Kopfspiels die Oberfläche des Zapfens im Querschnitt an ihrer in Drehrichtung weisenden Seite zwischen den beiden Kontaktstellen abgeflacht. Eine solche Abflachung kann fertigungstechnisch beispielsweise sehr einfach durch eine materialabtragende Nachbearbeitung der Zapfen des Tripodesterns erhalten werden. Im einfachsten Fall kann die Abflachung eine geebnete Fläche an der Oberfläche des Zapfens sein.According to a further particular embodiment of the invention, the surface of the pin is flattened in cross-section on its side pointing in the direction of rotation between the two contact points in order to provide the head play. Such a flattening can be obtained very easily in terms of production technology, for example by a material-removing post-processing of the pins of the tripod star. In the simplest case, the flattening can be a level surface on the surface of the pin.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart weist die Oberfläche des Zapfens im Querschnitt zwischen den beiden Kontaktstellen einen Krümmungsabschnitt auf, dessen Radius größer ist als der Abstand der Kontaktstellen von der Längsachse des Zapfens. Im Vergleich zu einer geebneten Fläche ist hier der erforderliche Materialabtrag geringer. Zudem wirkt sich ein weicher Übergang in den Krümmungsabschnitt günstig für die Lagerung des Innenrings am Zapfen aus.According to a further special embodiment, the surface of the peg has a curved section in cross section between the two contact points, the radius of which is greater than the distance between the contact points and the longitudinal axis of the peg. Compared to a leveled surface, the required material removal is lower here. In addition, a smooth transition into the curved section has a favorable effect on the mounting of the inner ring on the journal.
In einer Ausführungsvariante geht der Krümmungsabschnitt tangential in zwei Erzeugendenkreise für die Kontaktstellen über, welche jeweils einen Basiskreis an der zugehörigen Kontaktstelle tangential berühren, wobei der Radius der Erzeugendenkreise kleiner ist als der Betrag des Radius des Krümmungsabschnitts. Dies ermöglicht eine einfache Erzeugung des gewünschten Kopfspiels.In one embodiment variant, the curved section merges tangentially into two generating circles for the contact points, which each touch a base circle tangentially at the associated contact point, the radius of the generating circles being smaller than the amount of the radius of the curved section. This allows easy creation of the desired head clearance.
Der Krümmungsabschnitt ist vorzugsweise konvex, d.h. nach außen gekrümmt, wodurch sich besonders geringe maximale Hertz'sche Pressungen im Tripodegelenk ergeben. Jedoch ist auch eine konkave Ausgestaltung möglich. Dies reduziert zwar die Belastung der Nadeln, führt im Vergleich zu einer konvexen Ausgestaltung jedoch zu höheren Hertz'schen Pressungen.The curved section is preferably convex, i.e. curved outwards, resulting in particularly low maximum Hertzian pressures in the tripod joint. However, a concave configuration is also possible. Although this reduces the stress on the needles, it leads to higher Hertzian pressures compared to a convex design.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist der der Außenumfang des Innenrings im Bereich des Kontakts mit den Nadeln kreiszylindrisch ausgebildet. Hierdurch wird eine gleichmäßige Kraftverteilung über die Nadeln ausgehend von den zwei Kontaktstellen begünstigt, wodurch die maximale Belastung der Nadeln deutlich verringert wird.According to a further special embodiment of the invention, the outer circumference of the inner ring is circular-cylindrical in the area of contact with the needles. This promotes an even distribution of force over the needles, starting from the two contact points, which significantly reduces the maximum load on the needles.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die Oberfläche des Zapfens in einer Längsschnittebene, welche die Längsachse des jeweiligen Zapfens enthält, ballig gewölbt ausgebildet. Dies ermöglicht ein Verschwenken der Drehachse des Rollelements relativ zu der Längsachse des zugehörigen Zapfens beim Beugen des Tripodegelenks, d.h. einem Anwinkeln der Drehachse des Tripodesterns zur Drehachse des Gelenkaußenteils.According to another particular embodiment of the invention, the surface of the pin is convexly curved in a longitudinal section plane which contains the longitudinal axis of the respective pin. This allows the axis of rotation of the rolling element to be pivoted relative to the longitudinal axis of the associated pin when the tripod joint is bent, i.e. the axis of rotation of the tripod star is angled relative to the axis of rotation of the outer joint part.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tripodegelenks gemäß Patentanspruch 12 gelöst, bei dem der Tripodestern umformtechnisch hergestellt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die umformtechnische Herstellung des Tripodesterns mittels eines geteilten Formwerkzeugs erfolgt, dessen Werkzeugtrennebene im Bereich der Zapfen des Tripodesterns durch die Längsachse des jeweiligen Zapfens und die Drehachse des Tripodesterns aufgespannt wird, wobei der Zapfen bei der umformtechnischen Herstellung bereits mit einem in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Zapfens unrunden Querschnitt versehen wird, welcher in Drehrichtung des Tripodesterns eine Abflachung ausbildet.The above-mentioned object is also achieved by a method for producing a tripod joint according to
Die Kontur des Zapfens kann dabei zumindest im Bereich des Kopfspiels, vorzugsweise jedoch insgesamt, umformtechnisch fertiggeformt werden, wodurch der Fertigungsaufwand besonders gering bleibt.The contour of the pin can be finish-formed, at least in the area of the head clearance, but preferably in its entirety, so that the manufacturing effort remains particularly low.
Die Kontur des Zapfens, insbesondere im Bereich des Kopfspiels, jedoch auch vollumfänglich, kann gegebenenfalls einer kalibrierenden Nachbearbeitung unterzogen werden. Eine solche kalibrierende Nachbearbeitung kann im Prinzip eine materialabtragende Hartbearbeitung sein. Vorzugsweise wird der Kontaktbereich jedoch umformtechnisch kalibriert, wodurch das endgültige Kopfspiel entsteht. In diesem Fall kann eine teure materialabtragende Hartbearbeitung komplett entfallen. Zudem wird bei einer umformtechnischen Kalibrierung im Vergleich zur einer kalibrierenden Hartbearbeitung mit Materialabtrag eine höhere Prozesssicherheit erzielt, da ein etwaiger Konturversatz zwischen Rohteil und Fertigteil beim Umformen im Vergleich zur Hartbearbeitung praktisch ausgeschlossen werden kann.The contour of the journal, particularly in the area of the head play, but also over the entire circumference, can be subjected to calibrating post-processing if necessary. In principle, such a calibrating post-processing can be a material-removing hard processing. However, the contact area is preferably calibrated by forming, which results in the final head clearance. In this case, expensive material-removing hard machining can be completely dispensed with. In addition, higher process reliability is achieved with a forming calibration compared to calibrating hard machining with material removal, since any contour misalignment between the raw part and the finished part during forming can be practically ruled out compared to hard machining.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tripodegelenks gemäß Patentanspruch 15 gelöst, bei dem der Tripodestern umformtechnisch hergestellt wird, wobei die umformtechnische Herstellung des Tripodesterns mittels eines geteilten Formwerkzeugs erfolgt und die Drehachse (A) des Tripodesterns senkrecht zur Werkzeugtrennebene ist. In diesem Fall wird die Kontur des Zapfens zumindest im Bereich des Kopfspiels durch eine materialabtragende Nachbearbeitung hergestellt.The above-mentioned object is also achieved by a method for producing a tripod joint according to
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Tripodegelenks nach der Erfindung senkrecht zu den Drehachsen A und B des Tripodesterns und Gelenkaußenteils bei gestrecktem Tripodegelenk, -
2 eine Querschnittsansicht durch einen Zapfen und ein Rollelement senkrecht zur Längsachse des Zapfens, welche in einer ungebeugten Stellung mit der Drehachse des Rollelements zusammenfällt, -
3 eine Längsschnittansicht durch ein Rollelement, wobei die Schnittebene mit einer Drehachse des Rollelements zusammenfällt, -
4 eine räumliche Darstellung des Tripodesterns, -
5 eine schematische Darstellung analog2 zur Veranschaulichung des Kopfspiels des Innenrings am Zapfen eines Tripodesterns sowie der Kontaktwinkel des Innenrings, -
6 eine erste Variante zur Erzeugung eines Krümmungsabschnitts an der Oberfläche des Zapfens zwischen den Kontaktstellen, -
7 eine zweite Variante zur Erzeugung eines Krümmungsabschnitts an der Oberfläche des Zapfens zwischen den Kontaktstellen, -
8 eine Darstellung zur Veranschaulichung der umformtechnischen Fertigung eines Zapfens, -
9 eine Veranschaulichung von Hauptkontaktbereichen neben der Drehrichtung des Tripodesterns und einem dazwischen gelegenen Nebenkontaktbereich in Drehrichtung des Tripodesterns, sowie in -
10 eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung der umformtechnischen Fertigung eines Zapfens sowie der Aufteilung der Kontaktstellen in separate Kontaktinseln.
-
1 a sectional view of an embodiment of a tripod joint according to the invention perpendicular to the axes of rotation A and B of the tripod star and joint outer part with a stretched tripod joint, -
2 a cross-sectional view through a trunnion and a rolling element perpendicular to the longitudinal axis of the trunnion, which in an unbent position coincides with the axis of rotation of the rolling element, -
3 a longitudinal sectional view through a rolling element, the sectional plane coinciding with an axis of rotation of the rolling element, -
4 a spatial representation of the tripod star, -
5 a schematic representation analogous2 to illustrate the tip clearance of the inner ring on the journal of a tripod star and the contact angle of the inner ring, -
6 a first variant for generating a curved section on the surface of the pin between the contact points, -
7 a second variant for creating a curved section on the surface of the pin between the contact points, -
8th a representation to illustrate the metal forming production of a pin, -
9 an illustration of main contact areas next to the direction of rotation of the tripod star and an intermediate secondary contact area in the direction of rotation of the tripod star, and in -
10 another representation to illustrate the metal forming production of a pin and the division of the contact points into separate contact islands.
Das Tripodegelenk 1 umfasst ein Gelenkinnenteil in Form eines Tripodesterns 10 mit einer Drehachse A sowie ein Gelenkaußenteil 20 mit einer Drehachse B. An dem Gelenkaußenteil sind Laufbahnpaare 21 ausgebildet, in welchen das Gelenkinnenteil axial, d.h. in Richtung der Drehachse B geführt ist. Bei gestrecktem Tripodegelenk fluchten die Drehachsen A und B miteinander. Wir das Tripodegelenk 1 gebeugt, schließen diese hingegen einen Beugewinkel ≠ 0° miteinander ein.The
Der Tripodestern 10 weist einen zentralen Wellenabschnitt 11 sowie mehrere, vorzugsweise drei von dem Wellenabschnitt 11 abstehenden Zapfen 12 auf. Der zentrale Wellenabschnitt 11 kann als Ringkörper ausgeführt sein.The
Die Zapfen 12 sind in Umfangsrichtung um die Drehachse A des Gelenkinnenteils bzw. Tripodesterns 10 mit gleichem Abstand zueinander angeordnet. Ihre Längsachsen Z verlaufen im Wesentlichen radial zur Drehachse A und liegen vorzugsweise wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene.The
Weiterhin umfasst das Tripodegelenk 1 am Tripodestern 10 je Zapfen 12 ein Rollelement 13, welches am zugehörigen Zapfen 12 des Tripodesterns 10 um die Längsachse Z des Zapfens 12 drehbar gelagert ist.Furthermore, the tripod joint 1 on the
Die Zapfen 12 weisen zur Lagerung der Rollelemente 13 jeweils eine profilierte Oberfläche 12a auf, welche weiter unten noch näher erläutert werden wird.The
Jedes der Rollelemente 13 umfasst einen Außenring 14 und einen Innenring 15 sowie zwischen diesen angeordnete Wälzkörper 16, so dass der Außenring 14 und der Innenring 15 gegeneinander verdreht werden können.Each of the rolling
Der Außenring 14 und der Innenring 15 sind vorzugsweise als rotationssymmetrische Bauteile ausgebildet.The
Insbesondere kann jedes Rollelement 13 mit einem Außenumfang 14a des Außenring 14 entlang eines Laufbahnpaars 21a, 21b des Gelenkaußenteils 20 abrollen. Das Profil des Außenumfangs 14a kann hierzu im Querschnitt ballig nach außen gewölbt sein. Die Laufbahnen 21a und 21b können entsprechend ein konkaves Querschnittsprofil aufweisen, wie dies in
Der Innenring 15 steht mit seinem Innenumfang 15a mit dem zugehörigen Zapfen 12 des Tripodesterns 10 in Kontakt.The
Die Wälzkörper sind vorliegend als Nadeln 16 ausgebildet, die in einem Ringraum 17 zwischen einem Außenumfang 15b des Innenrings 15 und einem Innenumfang 14b des Außenrings 14 um den Zapfen 12 herum angeordnet sind und zu dem Außenumfang 15b des Innenrings 15 und dem Innenumfang 14b des Außenrings 14 jeweils Linienkontakt aufweisen.The rolling elements are presently designed as needles 16, which are arranged in an
Der Innenumfang 15a des Innenrings 15 kann dabei kreiszylindrisch ausgebildet sein.The
Innen- und Außenumfänge werde im Sinne der vorliegenden Offenbarung als die betreffenden Oberflächen und nicht als Maßangaben verstanden.For purposes of this disclosure, inner and outer perimeters are understood to be the relevant surfaces and not dimensions.
Die Oberfläche 12a des Zapfens 12 kann hingegen in einer Längsschnittebene, welche die Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 12 enthält, ballig gewölbt ausgebildet sein.The
Aufgrund einer balligen Ausgestaltung der Oberfläche 12a des Zapfens 12, mit welcher der Innenumfang 15a des Innenrings 15 in Kontakt steht, kann bei einer Beugung des Tripodegelenks 1 der Innenring 15 gegenüber der Längsachse Z des zugehörigen Zapfens 12 verkippt werden. Zudem ist eine axiale Verschiebbarkeit in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 12 gegeben.Due to a crowned design of the
Die Funktionen des Drehens um die Zapfen 12, des Verkippens sowie eine axiale Verschiebbarkeit können auch auf andere Art und Weise verwirklicht werden. Die in
Das oben bereits erwähnte Gelenkaußenteil 20 des Tripodegelenks 1 weist für jedes Rollelement 13 einen eigenen Eingriffsabschnitt auf. Der Eingriffsabschnitt ist beispielsweise hülsenartig ausgebildet und kann über seine Axiallänge ein konstantes Querschnittsprofil aufweisen.The outer
Bei dem in
Durch eine Profilierung sowohl der Laufbahnen 21a und 21b am Gelenkaußenteil 20 als auch des Außenumfangs 14a der Außenringe 14 der Rollelemente 13 wird bewirkt, dass bei einer Drehung des Gelenks 1 unter Beugung der Bauteilachsen A und B zueinander die Rollelemente 13 achsparallel zur Drehachse B des Gelenkaußenteils 20 hin und her bewegt werden. Ein hierfür benötigte Schwenkfreiheitsgrad kann beispielsweise zwischen den Zapfen 12 und den Innenringen 15 der Rollelemente 13 bereitgestellt werden, wie dies oben bereits erläutert wurde.The profiling of both the
Wie insbesondere den
Ein solcher Kontakt in der Schnittebene senkrecht zur Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 12 beidseits der Drehrichtung D ermöglicht durch eine Vergleichmäßigung der Kraftverteilung im Tripodegelenk 1 eine Steigerung der Lebensdauer der Rollelemente 13. Dies schließt weitere Kontaktstellen nicht aus.Such contact in the sectional plane perpendicular to the longitudinal axis Z of the
Prinzipiell können die beiden Kontaktstellen K1 und K2 links und rechts der Drehrichtung D in Längsrichtung Z des Zapfens 12 ausgedehnt über die zu dem Innenumfang 15a des Innenrings 15 weisende Oberfläche 12a des Zapfens 12 verlaufen, wie dies in
Diese Ausdehnung kann in Z-Richtung jedoch gegebenenfalls auch unterbrochen sein, so dass sich für jede Kontaktstelle K1 und K2 jeweils zwei oder mehr voneinander in Z-Richtung beabstandete Kontaktinseln K1a, K1b sowie K2a und K2b ergeben, wie dies in
Es ergibt sich somit, wie in
In
Bei dem dargestellten Ausführungswinkel ist der Kontaktwinkel α1 und α2 für beide Kontaktstellen K1 und K2 dem Betrag nach gleich groß. Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei welchen die Kontaktwinkel α1 und α2 voneinander abweichen.In the embodiment angle shown, the contact angles α1 and α2 are the same for both contact points K1 and K2. However, designs are also possible in which the contact angles α1 and α2 differ from one another.
Das Kopfspiel KS wird vorzugsweise in Abhängigkeit des größten vorhandenen Kontaktwinkels α1 und α2 der zwei Kontaktstellen K1 und K2 wie folgt bestimmt:
Hierbei wird KS ein Wert in mm zugewiesen, wobei α der größte vorhandene Kontaktwinkel α1 und α2 der zwei Kontaktstellen K1 und K2 in Grad ist und ferner KSF ein Wert von 1 bis 8 ist.Here, KS is assigned a value in mm, where α is the largest existing contact angle α1 and α2 of the two contact points K1 and K2 in degrees, and KSF is also a value from 1 to 8.
Das Kontaktspiel KS kann eingestellt werden, indem bei einem kreiszylindrischen Innenumfang 15a des Innenrings 15 die Oberfläche 12a des Zapfens 12 im Querschnitt an ihrer in Drehrichtung D weisenden Seite zwischen den beiden Kontaktstellen K1 und K2 abgeflacht wird.The contact clearance KS can be set by flattening the
Eine solche Abflachung 18 kann beispielsweise durch eine materialabtragende Bearbeitung des Zapfens 12 im Bereich zwischen den Kontaktstellen K1 und K2 erhalten werden, wie dies in
Die Abflachung 18 kann in der Querschnittsebene beispielsweise als ebene Fläche bzw. Linie ausgeführt sein. Da dies jedoch mit einem relativ hohen Materialabtrag verbunden wäre, empfiehlt sich eine Konturierung zwischen dem Profil einer solchen ebenen Fläche oder Linie und einem Kreisbogen mit konstantem Radius um die Längsachse Z.The flattening 18 can be designed in the cross-sectional plane, for example, as a flat surface or line. However, since this would involve a relatively large amount of material removal, contouring between the profile of such a flat surface or line and an arc of a circle with a constant radius around the longitudinal axis Z is recommended.
Wie in den
Ein solcher Krümmungsabschnitt H kann beispielsweise sehr einfach mithilfe eines Basiskreises K und zwei Erzeugendenkreisen E1 und E2 mit den Radien R1 und R2 generiert werden.Such a curved section H can, for example, be generated very easily using a base circle K and two generating circles E1 and E2 with radii R1 and R2.
Die Erzeugendenkreise E1 und E2 berühren den Basiskreis K an den Kontaktstellen K1 und K2 tangential.The generating circles E1 and E2 touch the base circle K tangentially at the contact points K1 and K2.
In
Der Krümmungsabschnitt H kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass dieser tangential in die zwei Erzeugendenkreise E1, E2 für die Kontaktstellen K1, K2 übergeht.The curved section H can in particular be designed in such a way that it merges tangentially into the two generating circles E1, E2 for the contact points K1, K2.
Insbesondere ist hierbei der Radius R1 und R2 der Erzeugendenkreise E1 und E2 kleiner als der Betrag des Radius R3 des Krümmungsabschnitts H.In particular, the radius R1 and R2 of the generating circles E1 and E2 is smaller than the amount of the radius R3 of the curved section H.
Der weitere Verlauf des Querschnittsverlaufs der Oberfläche 12a der Zapfen 12 bis zu den Kontaktstellen K1 und K2 kann ausgehend von dem Krümmungsabschnitt H gegebenenfalls durch die Kontur der Erzeugendenkreise E1 und E2 weitergeführt werden, wie dies in
Jenseits des abgeflachten Bereichs zwischen den Kontaktstellen K1 und K2 kann der Querschnittsverlauf der Oberfläche 12a der Zapfen 12 z. B. kreisförmig sein.Beyond the flattened area between the contact points K1 and K2, the cross-sectional shape of the
Dies ermöglicht eine zunächst umformtechnische Herstellung der Zapfen 12, an welche sich optional eine kalibrierende Nachbearbeitung vorzugsweise lediglich zwischen den Kontaktstellen K1 und K2 anschließt. Dies ist erheblich weniger aufwendig, als beispielsweise ein Freiformfräsen der gesamten Oberfläche 12a eines Zapfens 12.This enables the
Vorzugsweise erfolgt die umformtechnische Herstellung der Zapfen 12 mit einem Formwerkzeug, dessen Werkzeugtrennebene W entlang der Längsachse Z und unter einem Winkel von 90° zur Drehrichtung D verläuft, wie dies in
Alternativ kann die umformtechnische Herstellung der Zapfen 12 auch zunächst mit Aufmaß erfolgen, an welche sich dann eine Hartbearbeitung der Zapfenoberfläche 12a anschließt. In diesem Fall kann eine Werkzeugtrennebene W wie in
Wie in
Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, für den Krümmungsabschnitt H einen negativen Radius R3 vorzusehen, womit sich der in
Weiterhin kann in Abwandlung des oben erläuterten Ausführungsbeispiels ein Kopfspiel KS nicht nur in Lastrichtung, d.h. in der Haupt-Drehrichtung D des Tripodegelenks 1 vorgesehen werden, sondern auch in umgekehrter Drehrichtung hierzu. Dies ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn ein Fahrzeug nicht in einer Hauptfahrtrichtung, sondern vielmehr mit nicht unwesentlichem Anteil in umgekehrter Richtung gefahren wird. Ferner ist dann keine Unterscheidung zwischen einer linken und rechten Gelenkwelle am Fahrzeug erforderlich. Dies bedeutet, dass in den dargestellten Ausführungsbeispielen für jede Drehrichtung, d.h. Richtung D und deren umgekehrte Richtung, eine Abflachung 18 zwischen zwei Kontaktstellen oder Kontaktinselgruppen mit entsprechendem Kopfspiel vorgesehen werden.Furthermore, in a modification of the exemplary embodiment explained above, a head play KS can be provided not only in the load direction, i.e. in the main direction of rotation D of the
Die Erfindung schafft ein Tripodegelenk 1 mit einem Rollelement 13 als Baueinheit, welches anspruchsvollen Belastungskollektiven Stand hält, d.h. mit hoher Belastung betrieben werden kann und/oder eine hohe Lebensdauer aufweist, ohne dass dessen Außenabmessungen zunehmen.The invention creates a tripod joint 1 with a rolling
Abschließend sollen mehrere vorteilhafte Verfahren zur Herstellung insbesondere des Tripodesterns 10 vorgestellt werden.Finally, several advantageous methods for producing the
In einem ersten Herstellungsverfahren wird der Tripodestern 10 einschließlich seiner Zapfen 12 umformtechnisch hergestellt. Die Oberfläche 12a der Zapfen 12 wird dabei durch Umformen mittels eines Formwerkzeugs erhalten und nicht etwa beispielsweise durch das herkömmlicherweise hierfür eingesetzte Drehen. Der Zapfen 12 wird somit bei der umformtechnischen Herstellung mit einem in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse Z des Zapfens 12 unrunden Querschnitt versehen, welcher in Drehrichtung D eine Abflachung 18 ausbildetIn a first production method, the
Hierbei kommt ein geteiltes Formwerkzeug zum Einsatz, dessen Werkzeugtrennebene W in Abkehr von herkömmlichen Fertigungsprozessen im Bereich der Zapfen 12 durch die Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 12 und die Drehachse A des Tripodesterns 10 aufgespannt wird. Die Werkzeugtrennebene W verläuft somit unter einem Winkel von 90° zur Drehrichtung D. Dadurch wird vermieden, dass ein Trenngrad am Zapfen 12 in einem der Kontaktbereiche NK und HK liegt.Here, a split mold is used, the mold parting plane W of which is spanned by the longitudinal axis Z of the
Die Oberfläche 12a und damit die Kontur des Zapfens 12 wird zumindest im Bereich des Kopfspiels KS, vorzugsweise jedoch insgesamt, umformtechnisch fertiggeformt, wodurch der Fertigungsaufwand besonderes gering bleibt.The
Ein umformtechnisches Kalibrieren erfolgt vorzugsweise als Kaltumformung. Ein bisher notwendiges Strahlen des umgeformten Tripodestern-Rohlings, beispielsweise zur Entfernung von Verzunderungen, kann gegebenenfalls entfallen.Calibration in terms of forming technology is preferably carried out as cold forming. A previously necessary blasting of the formed tripod star blank, for example to remove scaling, can be omitted if necessary.
Zur Reduzierung der Umformkräfte beim umformtechnischen Kalibrieren kann ein Aufmaß des Tripodestern-Rohlings 10 im Nebenkontaktbereich NK kleiner gewählt werden als in den Hauptkontaktbereichen HK.In order to reduce the forming forces during the forming calibration, the oversize of the tripod star blank 10 in the secondary contact area NK can be selected to be smaller than in the main contact areas HK.
Im Vergleich zu einem Drehen oder Fräsen der Oberfläche 12a ergeben sich verschiedene Vorteile. So bestehen bei einer umformtechnisch hergestellten Fertigteilkontur mehr Gestaltungsmöglichkeiten. Insbesondere lassen sich beispielsweise Kontaktstellen mit mehreren Kontaktinseln K1a, K1b, K2a, K2b so leichter fertigen.There are various advantages compared to turning or milling the
Übergänge, welche für die maximalen Bauteilspannungen in Zapfen 12 relevant sind, lassen sich weicher gestalten.Transitions, which are relevant for the maximum component stresses in
Ferner kann die Abstimmung zwischen dem Kopfspiel KS und den Kontaktstellen präziser und zuverlässiger erfolgen.Furthermore, the coordination between the head play KS and the contact points can be carried out more precisely and reliably.
Die Oberfläche 12a der Zapfen 12 wird üblicherweise gehärtet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Einhärtetiefe verringert werden, da keine Randschicht durch zusätzliche Zerspanung abgetragen wird. Dies gestattet es, den Härteprozess zu vereinfachen, insbesondere beispielsweise zeitlich zu verkürzen.The
Zudem gibt es beim Umformen keine Möglichkeit zum Konturversatz zwischen dem Rohling und dem Fertigteil, woraus eine hohe Prozesssicherheit resultiert.In addition, there is no possibility of a contour offset between the blank and the finished part during forming, which results in a high level of process reliability.
Ein Fertigkalibrieren kann auf zwei Arten erfolgen.A final calibration can be done in two ways.
Im ersten Fall werden lediglich die Hauptkontaktbereiche HK, nicht jedoch der Nebenkontaktbereich NK und die jenseits der Hauptkontaktbereiche HK liegenden Abschnitte der Oberfläche 12a umformtechnisch bearbeitet, so dass man hier von einem lediglich partiellen Kalibrieren der Oberfläche 12a des Zapfens 12 sprechen kann. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in den vergleichsweise geringen Umformkräften.In the first case, only the main contact areas HK, but not the secondary contact area NK and the sections of the
Im zweiten Fall erfolgt ein umformtechnisches Kalibrieren mittels eines Formwerkszeugs sowohl an den Hauptkontaktbereichen HK als auch im Nebenkontaktbereich NK, wodurch eine höhere Konturgenauigkeit als im erstgenannten Fall erzielt wird, so dass man hier von einem Präzisionskalibrieren sprechen kann.In the second case, a forming calibration is carried out using a forming tool both on the main contact areas HK and in the secondary contact area NK, whereby a higher contour accuracy is achieved than in the first case, so that one can speak of precision calibration here.
Bei diesem umformtechnischen Kalibrieren, sowohl im ersten Fall als auch im zweiten Fall, wird geringfügig Material des Zapfens 12 in den Bereich jenseits der Hauptkontaktbereiche HK verdrängt. Hierzu wird bei der Fertigung des Rohlings als Kalibrierausgleich dort etwas Luft (Untermaß) gelassen.With this forming-technical calibration, both in the first case and in the second case, a small amount of material of the
Beim Kalibrieren können zusätzlich definierte Funktionsoberflächenstrukturen vom Werkzeug auf die Oberfläche 12a des Zapfens übertragen werden. Diese können sich beispielsweise durch eine höhere oder geringere Oberflächenrauhigkeit oder sonstige Oberflächenfeingestaltungen gegenüber ihrer Umgebung unterscheiden, beispielsweise um die Schmierstoffversorgung zu beeinflussen.During calibration, additionally defined functional surface structures can be transferred from the tool to the
In einem zweiten Herstellungsverfahren wird zunächst ein Rohling für den Tripodestern 10 einschließlich seiner Zapfen 12 umformtechnisch hergestellt. Die Werkzeugtrennebene W verläuft wie bei dem ersten Herstellungsverfahren quer zur Drehrichtung D, d.h. wie in
Die Zapfen 12 werden an ihren für das Abrollen der Rollelemente 13 relevanten Oberflächen 12a zumindest partiell zunächst mit Aufmaß gefertigt. So kann an dem Rohling bereits eine Abflachung und gegebenenfalls auch eine Auswölbung der Hauptkontaktbereiche HK ausgebildet sein.The
Dieser Rohling wird nach einem Härten zum Zweck der Kalibrierung zumindest der Hauptkontaktbereiche HK einer spanabhebenden Hartbearbeitung unterzogen, wodurch letztlich die Fertigkontur erhalten wird. Durch die Vorformung des Rohlings bleiben der Zerspanungsaufwand gering und die nötige Einhärtetiefe moderat.After hardening, for the purpose of calibration, at least the main contact areas HK are subjected to hard machining, which ultimately gives the finished contour. Due to the preforming of the blank, the machining effort remains low and the necessary hardening depth moderate.
In einem dritten Herstellungsverfahren wird der Rohling für den Tripodestern 10 in herkömmlicher Weise mit einem Formwerkzeug hergestellt, dessen Werkzeugtrennebene mit der Drehrichtung D zusammenfällt. Die Fertigung des Zapfens 12 erfolgt dabei mit Aufmaß. Nach einem Härten erfolgt eine materialabtragende Hartbearbeitung zur Erzeugung der Fertigkontur der Oberfläche 12a unter Ausbildung der oben erläuterten Haupt- und Nebenkontaktbereiche HK und NK. Optional kann auch hier der Rohling bereits mit einer Abflachung der Zapfen 12 hergestellt werden.In a third production process, the blank for the
Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und -varianten näher erläutert. Diese dienen unter anderem dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele, -varianten und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.The invention was explained in more detail above on the basis of various exemplary embodiments and variants. These serve, among other things, to demonstrate the feasibility of the invention. Individual technical features that have been explained above in the context of other individual features can also be implemented independently of these and in combination with other individual features, even if this is not expressly described, as long as this is technically possible. The invention is therefore expressly not limited to the specifically described exemplary embodiments, variants and modifications, but rather includes all configurations defined by the patent claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Tripodegelenktripod joint
- 1010
- Tripodesterntripod star
- 1111
- Wellenabschnittwave section
- 1212
- Zapfencones
- 1313
- Rollelementrolling element
- 1414
- Außenringouter ring
- 14a14a
- Außenumfang des Außenrings outer circumference of the outer ring
- 14b14b
- Innenumfang des Außenringsinner circumference of the outer ring
- 1515
- Innenringinner ring
- 15a15a
- Innenumfang des Innenringsinner circumference of the inner ring
- 15b15b
- Außenumfang des Innenringsouter circumference of the inner ring
- 1616
- Nadel (Wälzkörper)needle
- 1717
- Ringraumannulus
- 1818
- Abflachung flattening
- AA
- Drehachse des TripodesternsAxis of rotation of the tripod star
- BB
- Drehachse des GelenkaußenteilsAxis of rotation of the joint outer part
- DD
- Drehrichtung des TripodesternsDirection of rotation of the tripod star
- E1E1
- Erzeugendenkreis der ersten KontaktstelleGenerating circle of the first contact point
- E2E2
- Erzeugendenkreis der zweiten KontaktstelleGenerating circle of the second contact point
- HH
- Krümmungsabschnittcurvature section
- HKHK
- Hauptkontaktbereichmain contact area
- KK
- Basiskreisbase circle
- K1K1
- erste Kontaktstellefirst point of contact
- K1aK1a
- Kontaktinselcontact island
- K1bK1b
- Kontaktinselcontact island
- K2K2
- zweite Kontaktstellesecond point of contact
- K2aK2a
- Kontaktinselcontact island
- K2bK2b
- Kontaktinselcontact island
- KSKS
- Kopfspielhead game
- NKNK
- Nebenkontaktbereichside contact area
- PP
- Durchdringungspunktpenetration point
- R1R1
- Radius des Erzeugendenkreises der ersten KontaktstelleRadius of the generating circle of the first point of contact
- R1R1
- Radius des Erzeugendenkreises der zweiten KontaktstelleRadius of the generating circle of the second contact point
- R3R3
- Radius des KrümmungsabschnittsRadius of curvature section
- WW
- Werkzeugtrennebenetool parting line
- ZZ
- Längsachse des Zapfenslong axis of the pin
- α1α1
- Kontaktwinkel der ersten KontaktstelleContact angle of the first contact point
- α2α2
- Kontaktwinkel der zweiten KontaktstelleContact angle of the second contact point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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