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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgleichlauffestgelenk umfassend ein Gelenkaußenteil
mit ersten Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil mit zweiten Kugelbahnen,
drehmomentübertragende
Kugeln, die in Bahnpaaren aus ersten Kugelbahnen und zweiten Kugelbahnen
geführt
werden, wobei die Kugelbahnen der Bahnpaare in den Kontaktpunkten
mit den Kugeln miteinander jeweils einen Steuerwinkel bilden und
die Steuerwinkel sich in einer übereinstimmenden
axialen Richtung öffnen,
und mit einem Kugelkäfig
mit Käfigfenstern,
in denen die Kugeln in einer gemeinsamen Ebene gehalten sind und
bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene zu den Längsachsen
des Gelenkaußenteils
und Gelenkinnenteils geführt
werden, wobei der Kugelkäfig
mit zumindest einer seiner sphärischen
Flächen – Außenfläche, Innenfläche – mit einer
Gegenfläche
in einem der Gelenkbauteile – Gelenkaußenteil,
Gelenkinnenteil – Führungskontakt
hat.
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Aus
der
US 6,280,337 B1 ist
ein Gelenk der genannten Art bekannt, bei dem der Kugelkäfig eine kugelige
Außenfläche hat,
die mit einer Innenfläche des
Gelenkaußenteils
in Führungskontakt
ist und das Gelenkinnenteil eine kugelige Außenfläche hat, die mit einer inneren
Führungsfläche im Kugelkäfig in Führungskontakt
ist.
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Um
die Schmierung des Käfigs
gegenüber der
Führungsfläche des
Gelenkaußenteils
und die Führung
des Kugelkäfigs
zu verbessern, weichen die beiden genannten Führungsflächen von einer kugeligen Form
ab. Die Führungsflächen umfassen
hierbei jeweils einen Kugelflächenabschnitt,
einen sich entgegen zum Kugelflächenabschnitt öffnenden
Konusabschnitt sowie eine dazwischenliegende Erweiterung. Die Form
der Führungsflächen ist
stark zerklüftet.
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Bei
Gelenken der vorstehend genannten Art mit in übereinstimmender Richtung weisenden
Steuerwinkeln in den Bahnpaaren haben die Kugeln unter Drehmomenteinfluß auf das
Gelenk, die Tendenz in Richtung der Winkelöffnung aus dem Gelenk auszutreten.
Hierbei stützen
sich die Kugeln an den Käfigfenstern
ab, so daß der
Käfig von
den Kugeln zur Öffnung
des Gelenkaußenteils
hin axial verschoben wird, während
das Gelenkinnenteil gegenüber
dem als fest angenommenen Gelenkaußenteil entgegengesetzt, in
der Regel zum angeformten Boden des Gelenkaußenteils hin, verschoben wird.
Hierbei werden die vorhandenen Spiele überwunden, so daß der Käfig nahe
der Öffnungsseite
mit dem Gelenkaußenteil
zur Anlage gelangt und das Gelenkinnenteil entgegengesetzt zur Öffnungsseite
mit dem Käfig
zur Anlage kommt. Bei üblicherweise
kugelabschnittsähnlicher
Konfiguration der miteinander in Anlage kommenden Flächen, die
aufgrund der notwendigen Spiele unterschiedliche Radien haben, kommt
es zu hohen Belastungen und Kantenkontakten an den miteinander in
Anlage befindlichen Flächen.
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Hiervon
ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gelenk
vorzuschlagen, das bei im wesentlichen ähnlicher Konfiguration unter
Drehmomenteinfluß verbesserte
Anlageverhältnisse
an den miteinander in Kontakt kommenden Flächenpaarungen sicherstellt.
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Eine
erste Lösung
besteht darin, daß die äußere der
beiden Flächen
mit Führungskontakt
im wesentlichen eine Kugelfläche
mit einem größeren Krümmungsradius
und die innere der beiden Flächen im
wesentlichen eine Kugelfläche
mit einem kleineren Krümmungsradius
bildet und die äußere der
beiden Flächen
in einem axialen Endabschnitt, der mit der inneren der beiden Flächen in
Anlage bringbar ist und insbesondere unter Axiallast auf den Käfig unter Drehmomenteinwirkung
auf das Gelenk mit der inneren der beiden Flächen in Anlage ist, eine Konusfläche umfaßt, die
von der Kugelfläche
mit dem Radius nach innen abgeknickt ist und tangential an der Kugelfläche mit
dem kleineren Krümmungsradius
anliegt.
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Eine
zweite Lösung
besteht darin, daß die äußere der
beiden Flächen
mit Führungskontakt
im wesentlichen eine Kugelfläche
mit einem größeren Krümmungsradius
RK und die innere der beiden Flächen
im wesentlichen eine Kugelfläche
mit einem klei neren Krümmungsradius
bildet und die äußere der
beiden Flächen
in einem axialen Endabschnitt, der mit der inneren der beiden Flächen in
Anlage bringbar ist und insbesondere unter Axiallast auf den Käfig unter
Drehmomenteinwirkung auf das Gelenk mit der inneren der beiden Flächen in
Anlage ist, eine weitere Kugelfläche
mit dem Radius RK1 ≥ RK
umfaßt,
deren Krümmungsmittelpunkt
gegenüber
dem Mittelpunkt der äußeren Fläche axial
in Gegenrichtung zur Anlagefläche
versetzt ist und die von der Kugelfläche mit dem Radius nach innen
abgeknickt ist und einhüllend
an der Kugelfläche
mit dem kleineren Krümmungsradius
anliegt.
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Mit
den hiermit beschriebenen Maßnahmen werden
die bisher bekannten Tragverhältnisse,
die zu Kantenkontakten unter Drehmoment führen konnten, vermieden und
eine verbesserte Anlage mit reduzierten Hertzschen Pressungen im
Bereich der jeweiligen äußeren Fläche sichergestellt.
Gleichzeitig wird eine Konfiguration vorgeschlagen, die einen Schmierspalt
von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke über einen
großen
Bereich der sich gegenüberliegenden
Flächen
ausbildet.
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Bevorzugt
finden sich die erfindungsgemäßen Merkmale
zwischen der Innenfläche
des Gelenkaußenteils
und der Außenfläche des
Käfigs.
Allein oder ergänzend
sind die erfindungsgemäßen Merkmale
zwischen der Innenfläche
des Käfigs
und der Außenfläche des
Gelenkinnenteils anzuwenden.
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In
bevorzugter Weiterbildung schließt sich an die erfindungsgemäße Konusfläche bzw.
an den Kugelflächenabschnitt
mit größerem Radius
ein kleinerer Gegenradius an.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend
beschrieben.
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1a zeigt ein gattungsgemäßes Gelenk
in einem ersten Längsschnitt;
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1b zeigt ein gattungsgemäßes Gelenk
in einem zweiten Längsschnitt
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2 zeigt das Gelenk nach 1 im Querschnitt;
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3 zeigt an einem Gelenk
nach dem Stand der Technik die Konstellation der Gelenkbauteile
unter Axiallast im Längsschnitt;
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4a zeigt in einer Darstellung
analog 3 die geometrischen
Verhältnisse
an zwei ersten Flächen
eines Gelenks gemäß der Erfindung
in einer ersten Ausführung;
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4b zeigt in einer Konstellation
analog 3 die geometrischen
Verhältnisse
an zwei zweiten Flächen
eines Gelenks gemäß der Erfindung
in einer ersten Ausführung;
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5a zeigt in einer Darstellung
nach 3 die geometrischen
Verhältnisse
an zwei ersten Flächen
eines Gelenks gemäß der Erfindung
in einer zweiten Ausführung;
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5b zeigt in einer Konstellation
nach 3 die geometrischen
Verhältnisse
an zwei zweiten Flächen
eines Gelenks gemäß der Erfindung
in einer zweiten Ausführung;
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6 zeigt eine Einzelheit
an einer äußeren Fläche eines
erfindungsgemäßen Gelenks.
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1a zeigt ein Gleichlaufkugelfestgelenk vom
Rzeppa-Typ mit axial hinterschnittfreien Kugelbahnen. Das Gelenk
umfaßt
im wesentlichen ein Gelenkaußenteil 11 mit
ersten längsverlaufenden
Kugelbahnen 12, ein Gelenkinnenteil 13 mit zweiten
längsverlaufenden
Kugelbahnen 14, einen Kugelkäfig 15 mit umfangsverteilten
Käfigfenstern 16 sowie
drehmomentübertragenden
Kugeln 17, die in Paaren von äußeren und inneren Kugelbahnen 12, 13 gehalten sind
und von den Käfigfenstern 16 des
Kugelkäfigs 15 in
einer gemeinsamen Ebene gehalten werden. Die Bahnpaare bilden bei
Betrachtung von Tangenten an die Kugeln in den Kontaktpunkten mit
den Kugelbahnen jeweils einen Steuerwinkel, der sich in einer axialen
Richtung, im gegebenen Fall vom Boden 19 des Gelenkaußenteils
zur Öffnung 18 des
Gelenkaußenteils öffnet. Dieser
Steuerwinkel bleibt in der Regel auch bei Beugung des Gelenks qualitativ
erhalten. Infolge des untereinander übereinstimmenden Steuerwinkels
der einzelnen Bahnpaare haben die Kugeln 17 bei Drehmomentübertragung
am Gelenk die Tendenz sich zur Gelenköffnung 18 hin aus den
Bahnpaaren herauszubewegen. Die Kugeln 17 wirken dabei über die
Käfigfenster 16 unmittelbar
auf den Käfig 15 ein,
der sich axial über
entsprechende Flächenpaarungen
am Gelenkaußenteil 11 und
am Gelenkinnenteil 13 abstützen kann.
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In 1b ist infolge des anders
gelegten Schnittes in der oberen Bildhälfte eine erste Flächenpaarung
mit Führungskontakt
zwischen Gelenkaußenteil 11 und
Kugelkäfig 15 sichtbar,
die aus einer außenliegenden
Innenfäche 21 am
Gelenkaußenteil 11 und
einer innenliegenden Außenfläche 22 des
Kugelkäfigs 15 gebildet
wird. Eine weitere Flächenpaarung
mit Führungskontakt
besteht aus einer außenliegenden
Innenfläche 23 des
Kugelkäfigs 15 und
einer innenliegenden Außenfläche 24 des
Gelenkinnenteils 13. In den Längsschnitten nach 1a und 1b ist die Gelenkmittelebene EM und der
Gelenkmittelpunkt M eingezeichnet. Die Gelenkmittelebene EM ist
bei gestrecktem Gelenk die gemeinsame Ebene aller Kugelmittelpunkte
K.
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In 2 sind gleiche Einzelheiten
mit gleichen Bezugsziffern wie in den 1a und 1b belegt. Es ist die Aufnahme
der Kugeln 17 in den im Querschnitt im wesentlichen kreisabschnittsförmigen Kugelbahnen 12, 13 erkennbar.
Abweichende Querschnitte der Bahnen sind möglich. Mit A-A ist die Schnittebene
der 1a, mit B-B die
Schnittebene der 1b bezeichnet.
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In 3 sind die axialen Lageverhältnisse zwischen
Gelenkaußenteil 11,
Gelenkinnenteil 13 und Kugelkäfig 15 unter Drehmoment
unter Weglassung der Kugeln an einem Gelenk nach dem Stand der Technik
gezeigt. Die Gelenkmittelebene EM ist auf das Gelenkaußenteil 11 bezogen
und in ihrer Lage unverändert.
Demgegenüber
ist unter der Kraft der Kugeln (17) auf die Käfigfenster 16 der
Kugelkäfig 15 zur
Gelenköffnung 18 verschoben,
bis er mit seiner Außenfläche 22 an
der Innenfläche 21 des
Gelenkaußenteils 11 zur
Anlage kommt. Die gemeinsame Ebene EK der Kugelmitten bzw. Käfigfenstermitten
ist hierbei gegenüber
der Gelenkmittelebene EM zur Öffnung
hin verschoben. Zugleich verschiebt sich das Gelenkinnenteil 13 mit
seiner Mittelebene EN durch die von den Kugeln (17) auf
die inneren Kugelbahnen (14) einwirkenden Kräfte in Gegenrichtung zum
Kugelkäfig 15 gegenüber dem
Gelenkaußenteil 11,
bis die Außenfläche 24 des
Gelenkinnenteils 13 an der Innenfläche 23 des Kugelkäfigs 15 zur
Anlage kommt. In den hier erkennbaren Anlagebereichen der Flächenpaarungen 21, 22, 23, 24 sind
die jeweils äußeren Flächen 21, 23 ebenso
wie die jeweils innenliegenden Flächen 22, 24 im
wesentlichen kugelig, wobei die Krümmungsradien der erstgenannten Flächen größer sind
als die Krümmungsradien
der zweitgenannten Flächen.
Dabei hat das Gelenkaußenteil 11 Kantenkontakt
gegenüber
dem Kugelkäfig 15 im
Bereich der Öffnung 18.
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In 4a sind die gleichen Teile
wie in 3 für ein erfindungsgemäßes Gelenk
dargestellt. Auch hierbei ist der Kugelkäfig 15 zur Gelenköffnung 18 des
Gelenkaußenteils 11 und
das Gelenkinnenteil 13 zur Anschlußseite 19 des Gelenkaußenteils 11 verschoben.
Dabei stellt jedoch die Mittelebene EK des Kugelkäfigs und
der Kugeln und die Mittelebene EN des Gelenkinnenteils gleichzeitig
die konstruktive Gelenkmittelebene EM dar. Die äußere Käfigfläche 22 wird von einer
Kugelfläche
mit dem Radius RK um den Gelenkmittelpunkt M gebildet, der in der
Mittelebene EM liegt. Der überwiegende
Teil der Innenfläche 21 des
Gelenkaußenteils 11 wird
von einer im wesentlichen kugeligen Fläche mit dem Radius RA > RK um den gleichen
Gelenkmittelpunkt M gebildet. Auf der Öffnungsseite 18 hat
jedoch die Innenfläche 21 einen
Endabschnitt 25, der von der annähernd kugeligen Innenfläche 21 nach
innen abgeknickt ist und tangential gegen die Außenfläche 22 läuft. Von
den Flächen 21, 22 wird
damit ein Schmierspalt von der Dicke S über den größten Bereich der ineinanderliegenden
Flächen 21, 22 bildet.
Auf einen weiteren Spalt mit der Dicke S' zwischen Innenfläche 23 des Kugelkäfigs 15 und
Außenfläche 24 des
Gelenkinnenteils 13 wird anhand von 4b eingegangen.
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In 4b ist die gleiche erfindungsgemäße Ausführung wie
in 4a dargestellt. Hier
sind jedoch die Flächen 23, 24 näher bezeichnet.
Die Innenfläche 23 des
Kugelkäfigs 15 wird überwiegend
von einer Kugelfläche
mit dem Radius RK' um
den Gelenkmittelpunkt M gebildet, während die Außenfläche 24 des
Gelenkinnenteils 13 von einer Kugelfläche mit dem Radius RN um den
gleichen Gelenkmittelpunkt gebildet wird. In dem zur Anschlußseite,
d. h. der Öffnung 18 axial
gegenüberliegendem
Ende ist die Fläche 23 durch
einen nach innen abgeknickten Endabschnitt 27 gegenüber einer
Kugelfläche
reduziert, die tangential gegen die Außenfläche 24 läuft. Hierdurch
entsteht ein Schmierspalt von der Dicke S' über den überwiegenden
Teil der ineinanderliegenden Flächen 23, 24.
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Der
Flächenteil 25 in 4a und der Flächenteil 27 in 4b können insbesondere als Konusfläche ausgebildet
sein.
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In 5a ist eine andere Ausführung eines erfindungsgemäßen Gelenks
gezeigt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern wie
in der vorhergehenden 4a bezeichnet.
Auch hier ist die Kugelmittenebene EK und die Mittelebene EN des Gelenkinnenteils
gleichzeitig die Gelenkmittelebene EM. Wieder ist die Innenfläche 21 des
Gelenkaußenteils 11 durch
eine im wesentlichen kugelige Fläche mit
dem Radius RA um den Gelenkmittelpunkt M gebildet, während die
Außenfläche 22 des
Kugelkäfigs 15 durch
eine Kugelfläche
mit dem Radius RK < RA um
den Gelenkmittelpunkt M gebildet wird. In diesem Fall ist jedoch
der Endabschnitt 25 der Innenfläche 21 nicht von einem
Konus gebildet, sondern von einem Kugelflächenabschnitt mit dem Radius
RK1 > RA, deren Mittelpunkt
MO um den Betrag X von der Gelenköffnung 18 in Richtung
zum Boden 19 hin versetzt ist. Durch einhüllenden
Kontakt des Endabschnitts 25 der Innenfläche 21 mit
der Außenfläche 22 entsteht
ein Schmierspalt 26 von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke
S über
einen weiten Bereich zwischen den im wesentlichen konzentrischen Flächen 21, 22.
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In 5b ist die gleiche Situation
wie in 5a dargestellt.
Hier sind jedoch die Flächen 23 und 24 näher bezeichnet.
Die Innenfläche 23 des
Kugelkäfigs 15 besteht überwiegend
aus einer Kugelfläche
mit dem erzeugenden Radius RK' dessen
Mittelpunkt im Gelenkmittelpunkt M liegt, durch den die Kugelmittenebene
EK entsprechend der Gelenkmittelebene EM und die Mittelebene EN
des Gelenkinnenteils verläuft.
Die Außenfläche 24 des
Gelenkinnenteils 13 wird ebenfalls von einer Kugelfläche gebildet, die
mit dem Radius RN ebenfalls um den Gelenkmittelpunkt M gebildet
ist. Ein Endabschnitt 27 der Innenfläche 23 dagegen wird
von einem Radius RK1' > RK' gebildet, dessen Mittelpunkt MO um
den Abstand X aus der Gelenkmittelebene in Richtung zur Gelenköffnung 18 hin
versetzt ist. Hierdurch entsteht über weite Bereiche zwischen
den Flächen 23, 24 ein Schmierspalt 28 von
im wesentlichen gleichmäßiger Dicke
S'.
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In 6 ist das Gelenkaußenteil 11 als
Einzelheit im Längsschnitt
dargestellt. Hier bei ist gezeigt, daß die Innenfläche 21 im
Anschluß an
den Endabschnitt 25 mit einem entgegengesetzt gekrümmten kleineren
Radius 29 abgeschlossen wird, so daß jegliche Gefahr eines Kantentragens
gegenüber
dem Kugelkäfig
vermieden wird. Sinngemäß kann ein gleichartiger
Radius an der Innenfläche 23 des
Kugelkäfigs
im Anschluß an
den Endabschnitt 27 mit der gleichen Zielsetzung vorgesehen
sein.
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- 11
- Gelenkaußenteil
- 12
- erste
Kugelbahn
- 13
- Gelenkinnenteil
- 14
- zweite
Kugelbahn
- 15
- Kugelkäfig
- 16
- Käfigfenster
- 17
- Kugel
- 18
- Öffnung
- 19
- Boden
- 20
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- 21
- Innenfläche (11)
- 22
- Außenfläche (15)
- 23
- Innenfläche (15)
- 24
- Außenfläche (13)
- 25
- Endabschnitt
(21)
- 26
- Schmierspalt
- 27
- Endabschnitt
(23)
- 28
- Schmierspalt