DE10353608A1

DE10353608A1 - VL-Gelenk mit reduzierter Käfigbelastung

Info

Publication number: DE10353608A1
Application number: DE2003153608
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Dipl.-Ing. Welschof
Original assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: DE10353608B4

Abstract

Gleichlaufdrehgelenk mit einem Gelenkaußenteil mit über dem Umfang mmit abwechselnden Winkeln gleicher Größe relativ zur Längsachse verschränkt verlaufenden äußeren Kugelbahnen, mit einem Gelenkinnenteil mit über dem Umfang mit abwechselnden Winkeln gleicher Größe relativ zur Längsachse A verschränkt verlaufenden inneren Kugelbahnen, wobei sich jeweils Paare von äußeren Kugelbahnen und inneren Kugelbahnen kreuzen, mit drehmomentübertragenden Kugeln, die in solchen Paaren von sich kreuzenden Kugelbahnen aufgenommen und geführt sind, einem Kugelkäfig mit umfangsverteilten Käfigfenstern, in denen jeweils eine Kugel gehalten ist, wobei die Kugeln insgesamt in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden, wobei von den in Umfangsrichtung verlaufenden Führungsflanken der Käfigfenster zumindest jeweils eine im Längsschnitt durch den Kugelkäfig ausgekehlt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk mit einem Gelenkaußenteil mit über dem Umfang mit abwechselnden Winkeln relativ zur Längsachse A verschränkt verlaufenden äußeren Kugelbahnen, mit einem Gelenkinnenteil mit über dem Umfang mit abwechselnden Winkeln relativ zur Längsachse A verschränkt verlaufenden inneren Kugelbahnen, wobei sich jeweils Paare von äußeren Kugelbahnen und inneren Kugelbahnen kreuzen, mit drehmomentübertragenden Kugeln, die in solchen Paaren von sich kreuzenden Kugelbahnen aufgenommen und geführt sind, einem Kugelkäfig mit umfangsverteilten Käfigfenstern, in denen jeweils eine Kugel gehalten ist, wobei die Kugeln insgesamt in einer gemeinsamen Ebene M gehalten werden. Gelenke dieser Art werden als VL-Gelenke (cross groove joints) bezeichnet. Sie sind geeignet, Abwinklungen zwischen Gelenkaußenteil und Gelenk-innenteil ebenso wie Axialverschiebungen zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil aufzunehmen. Hierbei werden die Kugeln in erster Linie durch die Bahnform auf die winkelhalbierende Ebene zwischen den Längsachsen von Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil sowie auf den halben Verschiebeweg zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil geführt. Steuerkräfte werden hierbei unmittelbar von den Kugelbahnen nur auf einen Teil der Kugeln ausgeübt, während die übrigen Kugeln durch den Käfig in der gemeinsamen Ebene gehalten werden. Unter Drehmoment üben die Paare von Kugelbahnen auf die Kugeln über dem Umfang abwechselnd entgegengesetzt gerichtete Axialkräfte aus, die zu hohen Belastungen der Käfigfenster führen. Dies führt zu hohen Hertz'schen Pressungen in den Kugelanlagepunkten auf den in Umfangsrichtung verlaufenden Führungsflanken der Käfigfenster. Dies kann bei Drehmomentspitzen zu Schädigungen des Käfigs führen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, VL-Gelenke der genannten Art mit reduzierter Käfigbelastung bereitzustellen. Die Lösung hierfür besteht darin, daß von den in Umfangsrichtung verlaufenden Führungsflanken der Käfigfenster zumindest jeweils eine im Längsschnitt durch den Kugelkäfig ausgekehlt ist, wobei die Krümmung der Führungsflanke im Längsschnitt deutlich größer ist als die Kugelkrümmung. Um unabhängig von der bei Gelenkabwinkelung veränderlichen Radiallage der Kugel im Käfigfenster unveränderte Belastungen zu erhalten, ist vorzugsweise die Krümmung der Führungsflanke im Längsschnitt gleichmäßig, also kreisbogenförmig. Mit den erfindungsgemäß ausgeführten Führungsflanken der Käfigfenster sinkt die Hertz'sche Pressung, so daß das Schadensrisiko reduziert wird.

Nach einer ersten Ausführung ist vorgesehen, daß an jedem Käfigfenster beide in Umfangsrichtung verlaufenden Führungsflanken ausgekehlt sind. Hiermit wird die Belastung unabhängig von der Drehmomentrichtung am Gelenk an beiden Führungsflanken reduziert. Nachteilig ist die Veränderung des Kugelspiels im Käfigfenster über dem Radialweg.

Nach weiteren Möglichkeiten ist vorgesehen, daß an jedem Käfigfenster eine in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke ausgekehlt und die andere Führungsflanke eben ist, oder daß an jedem Käfigfenster eine in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke ausgekehlt und die andere in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke ballig ist. Nach diesen Lösungen sinkt die Belastung jeweils nur einer bevorzugt belasteten Führungsflanke der Käfigfenster. Günstig ist hierbei, daß sich das Spiel der Kugel im Käfigfenster über dem Radialweg weniger bzw. gar nicht verändert.

Um das Einführen der Kugeln in die Käfigfenster zu ermöglichen oder zu erleichtern ist vorgesehen, daß in der ausgekehlten Führungsflanke eine Tasche zum radialen Einführen einer Kugel in das Käfigfenster vorgesehen ist.

Bei unsymmetrisch ausgeführten Käfigfenstern mit nur einer ausgekehlten Führungsfläche wird vorgesehen, daß über dem Umfang von Käfigfenster zu Käfigfenster abwechselnd jeweils eine andere der Führungsflanken ausgekehlt ausgebildet ist, und zwar diejenige, die bei einer bevorzugten Drehmomentrichtung am Gelenk belastet ist.

Die Krümmung der erfindungsgemäßen ausgekehlten Führungsflanken ist so zu wählen, daß die Hertz'sche Pressung der Kugeln an den Führungsflanken im gleichen Größenbereich liegt wie die Hertz'sche Pressung der Kugel in den Kugelbahnen im Gelenkaußenteil und im Gelenkinnenteil.

Besonders günstig ist es, das Gelenk mit bezüglich der Längsachse schraubenförmig verlaufenden äußeren und inneren Kugelbahnen auszuführen anstelle der häufiger verwendeten tangential verlaufenden geraden Kugelbahnen. Hierdurch kann die radiale Kugelbewegung bei Gelenkbeugung reduziert werden. Insbesondere bleiben die Kugeln bei Axialverschiebung des Gelenks immer auf dem gleichen Rollkreis. Die Radialbewegung der Kugeln im Kugelkäfig bei Gelenkabwinklung wird hierdurch ebenfalls stark verkleinert.

Die Kombination von schraubenförmig ausgeführten Kugelbahnen und ausgekehlten Kugelführungsflächen in den Käfigfenstern führt dazu, daß sich theoretisch ergebende Steuerfehler besonders gering werden und nicht relevant sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
1 zeigt ein VL-Gelenk nach dem Stand der Technik im Längsschnitt;
2 zeigt ein VL-Gelenk nach 1 in einer Teilabwicklung;
3 zeigt ein erfindungsgemäßes VL-Gelenk in einer ersten Ausführung im Längshalbschnitt;
4 zeigt einen Teilschnitt durch den Kugelkäfig eines erfindungsgemäßen Gelenkes in einer zweiten Ausführung;
5 zeigt einen Teilschnitt durch den Kugelkäfig eines erfindungsgemäßen Gelenkes in einer dritten Ausführung.
In 1 ist ein VL-Gelenk im Längsschnitt dargestellt, das ein Gelenkaußenteil 12, ein Gelenkinnenteil 13, einen Kugelkäfig 14 und drehmomentübertragende Kugeln 15, von denen eine im Längsschnitt dargestellt ist, erkennen läßt. Am Gelenkaußenteil ist eine innenzylindrische Führungsfläche 16 für den Kugelkäfig sowie ein Schraubendurchgangsloch 17 zur Anschraubung des Gelenkaußenteils an einem Flansch erkennbar. In der Führungsfläche 16 ist eine von mehreren umfangsverteilten äußeren Kugelbahnen 18 gezeigt. Ohne daß dies hier erkennbar wäre, ist die Kugelbahn 18 in Bezug auf die Längsachse A des Gelenkes unter einem Kreuzungswinkel angeordnet.
Im Gelenkinnenteil 13 sind innere Kugelbahnen 19 ausgebildet, von denen eine im Längsschnitt gezeigt ist. Auch die Kugelbahn 19 verläuft zur Längsachse A des Gelenkes unter einem Kreuzungswinkel, wobei einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 18 und innere Kugelbahnen 19, die gemeinsam eine Kugel 15 aufnehmen, gleich große, aber entgegengesetzte Kreuzungswinkel gegenüber der Längsachse A bilden. Am Gelenkinnenteil ist eine Einstecköffnung 20 zum Einstecken einer Antriebswelle ausgebildet. Der Kugelkäfig 14 hat eine äußere sphärische Fläche 22, die in der zylindrischen Führungsfläche 16 geführt ist, sowie eine innere Fläche 23, die ausschließlich bei axialer Verschiebung des Gelenkes mit dem Gelenkinnenteil 13 zusammenwirkt. Der Kugelkäfig weist umfangsverteilte Käfigfenster 24 auf, die die Kugeln 15 auch bei Abwinkelung des Gelenkes und bei axialer Verschiebung des Innenteils gegenüber dem Außenteil in einer gemeinsamen Ebene M halten.
In 2 ist eine Abwicklung des Gelenks im Bereich der Kugelbahnen gezeigt, die das Verständnis der Gelenkbauweise erleichtern soll. Hierbei sind das mit durchgezogenen Linien dargestellte Gelenkaußenteil 12 und das mit gestrichelten Linien dargestellte Gelenkinnenteil 13 übereinandergelegt. Im Gelenkaußenteil 12 sind erste äußere Kugelbahnen 18₁ gezeigt, die mit der Längsachse A einen ersten Kreuzungswinkel bilden, sowie zweite äußere Kugelbahnen 18₂ , die mit der Längsachse A einen gleichgroßen entgegengesetzt gerichteten Kreuzungswinkel bilden. Das Ge lenkinnenteil 11 ist in analoger Weise mit ersten inneren Kugelbahnen 19₁ und zweiten inneren Kugelbahnen 19₂ versehen, die ebenfalls gleichgroße aber gegensinnig gerichtete Kreuzungswinkel mit der Längsachse A bilden. Die vom Kugelkäfig in einer gemeinsamen Ebene M gehaltenen Kugeln sind hierbei als erste Kugeln 15₁ und zweite Kugeln 15₂ unterschieden. Aufgrund der sich kreuzenden Kugelbahnen jedes Bahnpaares wird auf die Kugeln bei Drehmomentübertragung eine Axialkraft ausgeübt. Die auf die ersten Kugeln 15₁ , ausgeübte Axialkraft ist dabei jeweils entgegengesetzt gerichtet zur auf die zweiten Kugeln 15₂ ausgeübten Axialkraft. Den genannten Axialkräften hat der Kugelkäfig entgegenzuwirken hat, der die Kugeln in der gemeinsamen Ebene M halten soll. Die Axialkräfte selber kehren sich bei Umkehr der Drehmomentrichtung jeweils in die entgegengesetzte axiale Richtung um. Dabei legen sich die Kugeln jeweils an eine der Führungsflanken ihres Käfigfensters an. In den Anlagepunkten entsteht eine hohe Hertz'sche Pressung, die zu Schädigungen am Kugelkäfig führen kann.
In 3 ist ein Gelenk ähnlich 1 in erfindungsgemäßer Ausführung im Halbschnitt gezeigt. Hierbei ist eine erste in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke 25 und eine gegenüberliegende zweite in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke 26 des geschnittenen Käfigfensters im einzelnen bezeichnet. Beide Führungsflanken sind im Längsschnitt durch das Gelenk ausgekehlt, wobei die Führungsflanke 25 kreisbogenförmig ist und mit einem Krümmungsradius RK1 gebildet ist und die Führungsflanke 26 ebenfalls kreisbogenförmig ist und mit einem gleichgroßen Krümmungsradius RK2 gebildet ist. Beide Krümmungsradien liegen bezüglich der Längsachse A auf dem Rollkreisdurchmesser R. Die Krümmungsradien sind deutlich größer als der Kugelradius RB, so daß eine Radialbewegung der Kugel gegenüber dem Käfigfenster, wie sie bei Abwinkelung des Gelenkes zwangsläufig stattfindet, aufgrund des vorgegebenen Spiels der Kugel 15 zwischen den Führungsflanken 25, 26 unbeeinträchtigt möglich ist, insbesondere kann ein Verklemmen der Kugel dabei ausgeschlossen werden. Gleichwohl ist aufgrund der Schmiegung zwischen Führungsflanken 25, 26 und Kugel 15 bei vorgegebenen Drehmomenten und damit vorgegebenen Axialkräften auf die Kugeln an den Führungsflanken die Hertz'sche Pressung gegenüber Gelenken nach dem Stand der Technik deutlich reduziert. Das Schadensrisiko im Bereich der Käfigfenster ist hierdurch sehr viel geringer.
In 4 ist ein Käfig ähnlich 3 in abgewandelter Ausführung dargestellt, wobei die erste Führungsflanke 25' des Käfigfensters 18 eben und parallel zur Mittelebene M ist, während die zweite Führungsflanke 26 ausgekehlt ist und mit einem Krümmungsradius RC gebildet wird, der deutlich größer ist als der Kugelradius RB. Auch der Mittelpunkt dieses Krümmungsradius RC liegt auf dem Rollkreisdurchmesser R. Bei Käfigen mit Käfigfenstern dieser Art ist über dem Umfang von Fenster zu Fenster jeweils die konkave Führungsflanke auf wechselnden Seiten auszubilden. Hierbei ist der Käfig in Bezug auf die Einbauverhältnisse des Gelenks und die dadurch vorgegebene bevorzugte Drehmomentrichtung so einzusetzen, daß bei Vorherrschen der bevorzugten Drehmomentrichtung die Axialkraft, die die Kugelbahnen auf die Kugel ausüben, sich an der ausgekehlten Führungsflanke abstützt.
In 5 ist ein Kugelkäfig ähnlich wie in 4 dargestellt, wobei eine erste Führungsflanke 25'' in diesem Fall im Längsschnitt ballig ist und durch einen Radius RC1 gebildet wird, während die zweite Führungsflanke 26, wie in den beiden vorgenannten Ausführungsformen, ausgekehlt ist und durch einen Radius RC2 gebildet wird. Die Krümmungsmittelpunkte der beiden Radien liegen in Bezug auf die Längsachse auf dem Rollkreisdurchmesser R. Die Flankenkrümmungsradien sind wesentlich größer als der Kugelradius RB. Auch hier wird die Einbaulage des Käfigs in Abhängigkeit von der Einbaulage des Gelenks und der bevorzugten Drehmomentrichtung so zu wählen sein, daß vorzugsweise die Führungsflanke 26'' von der Axialkraft der Kugel belastet wird, während die Gegenflanke 25'' nur kurzzeitig im Belastungsspektrum bei umgekehrter Drehmomentrichtung von der Axialkraft der Kugel beaufschlagt wird. An der Führungsflanke 26'' ist die Hertz'sche Pressung deutlich herabgesetzt. Aufgrund der ähnlichen Gestaltung der beiden Flanken ändert sich das Spiel der Kugel im Käfigfenster bei Radialbewegungen nicht.

11: VL-Gelenk
12: Gelenkaußenteil
13: Gelenkinnenteil
14: Kugelkäfig
15: Kugel
16: Führungsfläche
17: Durchgangsloch
18: äußere Kugelbahnen
19: innere Kugelbahnen
20: Einstecköffnung
21
22: Außenfläche
23: Innenfläche
24: Käfigfenster
25: Führungsflanke
26: Führungsflanke

Claims

Gleichlaufdrehgelenk (11) mit einem Gelenkaußenteil (12) mit über dem Umfang mit abwechselnden Winkeln gleicher Größe relativ zur Längsachse A verschränkt verlaufenden äußeren Kugelbahnen (18), mit einem Gelenkinnenteil (13) mit über dem Umfang mit abwechselnden Winkeln gleicher Größe relativ zur Längsachse A verschränkt verlaufenden inneren Kugelbahnen (19), wobei sich jeweils Paare von äußeren Kugelbahnen (18) und inneren Kugelbahnen (19) kreuzen, mit drehmomentübertragenden Kugeln (15), die in solchen Paaren von sich kreuzenden Kugelbahnen (18, 19) aufgenommen und geführt sind, einem Kugelkäfig (14) mit umfangsverteilten Käfigfenstern (24), in denen jeweils eine Kugel (15) gehalten ist, wobei die Kugeln (15) insgesamt in einer gemeinsamen Ebene M gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß von den in Umfangsrichtung verlaufenden Führungsflanken (25, 26) der Käfigfenster (24) zumindest jeweils eine im Längsschnitt durch den Kugelkäfig (14) ausgekehlt ist.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Käfigfenster (24) beide in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanken (25, 26) ausgekehlt sind.
Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Käfigfenster (24) eine in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke (26) ausgekehlt und die andere Führungsflanke (25) eben ist.
Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Käfigfenster (24) eine in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke (26) ausgekehlt und die andere in Umfangsrichtung verlaufende Führungsflanke (25) ballig ist.
Gelenk nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ausgekehlten Führungsflanke (26) eine Tasche zum radialen Einführen einer Kugel (15) in das Käfigfenster (24) vorgesehen ist.
Gelenk nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Umfang von Käfigfenster zu Käfigfenster abwechselnd jeweils eine andere der Führungsflanken (25, 26) ausgekehlt ausgebildet ist.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kugelbahnen (18, 19) jeweils geradlinig unter einem Kreuzungswinkel zur Längsachse A verlaufen.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kugelbahnen (18, 19) jeweils schraubenförmig relativ zur Längsachse A verlaufen.