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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Querwelle (Drehkreuz) und ein Querwellengelenk.
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In einem Drehmomentübertragungssystem eines
Fahrzeugs od. dgl. wurde im allgemeinen ein Querwellengelenk zum
Zwecke der Verbindung zweier Drehwellen verwendet, welche in einer
ungleichachsigen Art und Weise vorgesehen sind, oder welche so vorgesehen
sind, dass sie in einer ungleichachsigen Art und Weise geneigt werden
können.
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Bei diesem Querwellengelenk besteht
die Tendenz, dass ein Kontaktflächendruck
von Rollen an einem vorderen Ende eines Drehzapfens der Querwelle
sich zu einem Zeitpunkt der Drehmomentübertragung erhöhen kann
und dass die Rollen ausfallen können,
wenn eine große
Last aufgebracht wird. Um einen solchen Ausfall der Rollen zu vermeiden,
sind die Rollen in einer Vielzahl von Reihen in einer Axialrichtung
in einem ringförmigen
Raum zwischen einer Außenumfangsfläche des
Drehzapfens und einem Außenringtopf
des Rollenlagers angeordnet, und die Durchmesser der Rollen in den
jeweiligen Reihen sind aufeinandertolgend größer von dem vorderen Ende des
Drehzapfens zu dessen Fuß hin ausgeführt, um
dadurch im wesentlichen den Kontaktflächendruck, der auf die Rollen
in den jeweiligen Reihen zum Zeitpunkt der Drehmomentübertragung ausgeübt wird,
auszugleichen (siehe z.B.
JP-A-11-51073 ).
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Bei dem oben beschriebenen Stand
der Technik müssen,
je mehr die Last zum Zeitpunkt der Drehmomentübertragung anwächst, die
Differenzen zwischen den Durchmessern der Rollen in den jeweiligen
Reihen umso größer ausgeführt werden.
Da in diesem Fall die Radialspalten der Rollen, welche im Durchmesser
hinsichtlich des Drehzapfens verringert werden, größer ausgeführt werden,
werden die Rollen einem Schräglauf
unterzogen.
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Darüber hinaus wurde vorgeschlagen,
dass eine Aussparung im wesentlichen in Form eines Kegelstumpfs
an einer Stirnfläche
des Drehzapfens der Querwelle ausgebildet wird, um die Biegesteifigkeit des
Drehzapfens zu verringern. Für
diesen Zweck gibt es ein Beispiel, dass der Drehzapfen zum Zeitpunkt
der Drehmomentübertragung
sich durchbiegt, wobei die Ablenkung der Biegespannung zum Fuß des Drehzapfens
hin verringert wird (siehe z.B.
JU-A-61-141819 ).
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Bei dem oben beschriebenen Stand
der Technik wird sich jedoch damit beschäftigt, dass in einem Fall,
wo eine große
Aussparung ausgebildet ist, eine Steifigkeit des Drehzapfens in
bezug zur Last zum Zeitpunkt der Drehmomentübertragung mangelhaft sein
kann. Das gibt Raum für
weitere Verbesserungen.
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Im Hinblick auf die obigen Erläuterungen,
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Querwelle zu schaffen,
deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit
verbessert wird.
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Um das obige Ziel zu erreichen, ist
die Erfindung durch die folgende Anordnung gekennzeichnet.
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- (1) Eine Querwelle mit:
einem Drehzapfen;
Rollenlagern,
die extern an dem Drehzapfen in einer Vielzahl von Reihen in einer
Axialrichtung des Drehzapfens vorgesehen sind; und
einer Aussparung,
die an einer vorderen Stirnfläche
des Drehzapfens ausgebildet ist, wobei ein Bodenbereich der Aussparung
in einer Kugelform ausgebildet ist, ein Innendurchmesser eines Öffnungsbereichs
der Aussparung außer
dem Bodenbereich so festgesetzt ist, dass er allmählich größer zu einem Öffnungsendrand
der Aussparung wird und eine Tiefe der Aussparung von dem Öffnungsendrad
zu einem tiefsten Punkt des Bodenbereichs auf 30 bis 70% der Gesamtlänge der Rollenlager
in der Axialrichtung festgesetzt ist.
- (2) Die Querwelle nach (1), wobei der Drehzapfen auf einer Außenumfangsfläche desselben
mit einer Vielzahl von Rollenlagerflächen vorgesehen ist, welche
sich aufeinandertolgend im Durchmesser von einem Fuß desselben
zu einem vorderen Ende desselben hin verringern.
- (3) Die Querwelle nach (1), wobei ein Innendurchmesser des Öffnungsendrands
der Aussparung auf 50 bis 80% eines Außendurchmessers des vorderen
Endes des Drehzapfens festgesetzt ist, und wobei der Bodenbereich
in der Kugelform einen mittleren Winkel aufweist, welcher auf 120
bis 160° festgesetzt
ist, und einen Krümmungsradius aufweist,
der auf 50% oder weniger des Innendurchmessers des Öffnungsendrands
der Aussparung festgesetzt ist.
- (4) Die Querwelle nach (1), wobei die Querwelle aus Einsatzstahl
hergestellt ist und ein Rollenfluchtverfahren für die Lagerrollenfläche angewendet
wird.
- (5) Die Querwelle nach (1), wobei die Querwellenverbindung vier
Drehzapfen einschließt
und wobei vier Rollenlager jeweils auf den vier Drehzapfen montiert
sind.
- (6) Die Quennrelle nach (5), wobei eine Balligkeit in einer
gekrümmten
Form an beiden Enden jeder der Rollen auf einer Außenumfangsfläche derselben
ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht eines Querwellengelenks entsprechend
einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
Vorderansicht, die das Querwellengelenk von 1 zeigt,
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3 eine
Schnittansicht, die einen Drehzapfen einer Querwelle zeigt,
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4 eine
Ansicht entsprechend zu 3, die
eine Modifikation einer Aussparung des Drehzapfens zeigt,
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5 entsprechend
zu 3, die eine Modifikation
der Aussparung des Drehzapfens zeigt,
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6 eine
Draufsicht, die eine andere Ausführungsform
des Querwellengelenks zeigt, und
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7 eine
Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform des Drehzapfens
zeigt.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform der
Erfindung. In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugszahl 1 ein
Querwellengelenk. Dieses Querwellengelenk 1 schließt eine
erste Drehwelle 2 und eine zweite Drehwelle 3 ein,
welche koaxial gegenüberliegend
und zueinander neigbar gekoppelt sind, um ein Drehmoment zu übertragen.
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Das Querwellengelenk (cross shaft
joint) 1 hat eine bekannte Struktur einschließlich einer Querwelle 4 und
vier Rollenlagern 5A bis 5D. Die Querwelle weist
vier Drehzapfen 41 bis 44 auf.
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Alle vier Rollenlager 5A bis 5D sind
sogenannte Nadelrollenlager, die exakt die gleiche Struktur aufweisen,
von denen jedes eine Vielzahl von Nadeln 6, eine Druckbuchse 7 und
einen Außenringtopf 8 einschließt. Obwohl
in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, kann eine Dichtungsvorrichtung
zwischen den Außentöpfen 8 und
der Rollenlager 5A bis 5D und den Drehzapfen 41 bis 44 der
Querwelle 4 vorgesehen sein, so dass ein Schmiermittel,
wie z.B. Fett, innerhalb der Rollenlager 5A bis 5D eingeschlossen
sein kann.
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Die beiden Drehzapfen 41, 43 der
oben beschriebenen Querwelle 4, welche zueinander 180° gegenüberliegen,
sind an einem Ende der Drehwelle 2 mittels der Rollenlager 5A, 5B montiert.
Die übrig bleibenden
beiden Drehzapfen 42, 44 der Querwelle 4,
welche einander 180° gegenüberliegen,
sind an einem Ende der zweiten Drehwelle 3 mittels der
Rollenlager 5C, 5D montiert.
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Die Außenringtöpfe 8 der oben beschriebenen
Rollenlager 5A bis 5D sind mittels Schrauben 9 od.
dgl. an die beiden Drehwelle 2, 3 montiert. Die
Art und Weise der Montage dieser Außenringtöpfe 8 ist nicht in
besonderer Weise beschränkt,
sondern die Erfindung kann alle Verfahren einschließen, die
im allgemeinen bekannt sind. Der Außenringtopf 8 ist mit
einem Fettnippel 10 zum Einbringen des Fetts in den Außenringtopf 8 versehen.
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In dieser Ausführungsform ist eine Verbesserung
für eine
Form der Drehzapfen 41 bis 44, was nachstehend
beschrieben werden wird, gemacht.
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Jede der Rollenlager 5A bis 5D weist
Rollen 6 auf, die in drei Reihen parallel in einer Axialrichtung angeordnet
sind. Jeder der Drehzapfen 41 bis 44 der Drehwelle 4 ist
an seiner Außenumfangsfläche mit Wälzflächen 45a, 45b, 45c versehen,
die jeweilige Außendurchmesser
D1, D2 und D3 aufweisen, welche sich allmählich vom Fuß zu dem
vorderen Ende des Drehzapfens hin verringern und als größere, mittlere
und kleinere Wälzflächen bezeichnet
werden. Diese Wälzflächen 45a bis 45c jeder
der Drehzapfen 41 bis 44 sind in drei Reihen angeordnet.
Entsprechendennreise werden Radialspalten der Rollen 6 allmählich von
dem Fuß zu
dem vorderen Ende hin erhöht.
Unterschiede im Außendurchmesser
zwischen den benachbarten Wälzflächen 45a bis 45c dieser
Drehzapfen 41 bis 44 sind auf einen Wert eines
Durchmessers d der Rolle 6 multipliziert mit 0,001 bis
0,005 festgesetzt. In den Zeichnungen sind die Unterschiede im Außendurchmesser
der Wälzflächen 45a bis 45c der
Drehzapfen 41 bis 44 übertrieben dargestellt. Durch
Ausbilden der Wälzflächen in dieser
Art und Weise ist es vorteilhaft, dass eine Verteilung des Kontaktflächendrucks,
der zum Zeitpunkt der Drehmomentübertragung
auf die Rollen 6 ausgeübt
wird, ausgeglichen wird, und es ist auch vorteilhaft, dass ein Schräglauf der
Rollen 6 verhindert wird.
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Zusätzlich ist jeder der Drehzapfen 41 bis 44 mit
einer Aussparung 46 in Form einer Punschbowle vorgesehen.
Diese Aussparung 46 ist an einem Mitteteil jeder der Drehzapfen 41 bis 44 ausgebildet
und öffnet
sich zu einer Stirnfläche
des Drehzapfens hin.
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Ein Bodenbereich 46a der
Aussparung 46 ist in einer Kugelform ausgebildet. Ein Innendurchmesser
eines Öffnungsbereichs 46b dieser
Aussparung 46 außer
dem Bodenbereich 46a in der Kugelform wird allmählich zu
einem Öffnungsendrand
der Aussparung 46 vergrößert. Durch
Vorsehen dieser Aussparung 46 wird ein zylindrischer Bereich,
der in einem vorderen Endteil jeder der Drehzapfen 41 bis 44 der
Querwelle 4 besteht, allmählich in seiner Dicke zu seinem
vorderen Ende hin dünner.
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In dieser Ausführungsform ist die oben beschriebene
Aussparung 46 so festgesetzt, dass sie sich die folgenden
Bedingungen (1) bis (5) erfüllt.
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- (1) Eine Tiefe L1 der Aussparung 46 von
dem Öffnungsendrand
zum tiefsten Punkt ist auf 30 bis 70% festgesetzt, und ist bevorzugterweise
auf 50 bis 60% der Gesamtlänge
in einer Axialrichtung der Rollen festgesetzt, welche in drei Reihen
in der Axialrichtung angeordnet sind.
- (2) Ein Innendurchmesser D0 der Aussparung 46 an dem Öffnungsendrad
ist auf 50 bis 80% festgesetzt, und bevorzugterweise auf 60 bis
70% eines Außendurchmessers
D3 jeder der Drehzapfen 41 bis 44 an seinem vorderen
Ende festgesetzt.
- (3) Ein mittlerer Winkel α des
Bodenbereichs 46a der Aussparung 46 in der Kugel form
ist auf 120 bis 160° festgesetzt,
und ist bevorzugterweise auf 130 bis 150° festgesetzt.
- (4) Ein Krümmungsradius
r des Bodenbereichs 46a der Aussparung 46 in der
Kugelform ist auf weniger als 50% des Innendurchmessers D0 der Aussparung 46 an
dem Öffnungsendrand
desselben festgesetzt.
- (5) Der Öffnungsbereich 46b der
Aussparung 46 weist eine konische Form auf. Ein Winkel β dieser konischen
Form des Öffnungsbereichs 46b ist
auf 10 bis 30° festgesetzt,
und ist bevorzugtenweise auf 15 bis 25° festgesetzt.
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Unter Bezugnahme auf den obigen Punkt
(5) kann der Öffnungsbereich 46b der
Aussparung 46 in einer gekrümmten Form ausgebildet sein,
die einen Innendurchmesser aufweist, der allmählich zu dem Öffnungsendrand
der Aussparung 46 hin anwächst.
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In einem Fall, wo die Aussparung 46,
die die obigen Bedingungen (1) bis (5) erfüllt, vorgesehen ist, kann eine
Steifigkeit jeder der Drehzapfen 41 bis 44 der
Querwelle 4 verringert werden, währenddessen eine ausreichende
Festigkeit jeder der Drehzapfen 41 bis 44 sichergestellt
wird.
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Obwohl in 3 ein Krümmungsmittelpunkt 0 des
Bodenbereichs 46a der Aussparung 46 auf eine Position
gesetzt ist, welche tiefer ist, als das vordere Ende jedes Drehzapfens 41 bis
44 um eine vorbestimmte Länge
L2, kann dieser Krümmungsmittelpunkt 0 auf
eine Position entsprechend zu dem vorderen Ende jedes Drehzapfens 41 bis 44 festgesetzt sein,
wie in 4 gezeigt ist,
oder kann auf eine Position festgesetzt werden, die von dem vorderen Ende
jedes Drehzapfens 41 bis 44 um eine vorbestimmte
Länge L2
hervorsteht, wie in 5 gezeigt ist.
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Da spezifischerweise bei der Querwelle 4, die
den oben beschriebenen Aufbau aufweist, die größte Biegespannung auf den gekrümmten Teil
am Fuß jedes
Drehzapfens 41 bis 44 zum Zeitpunkt der Drehmomentübertragung
ausgeübt
wird, biegt sich jeder Drehzapfen 41 bis 44 im
vollen Umfang vom Fuß durch.
Da sich der Drehzapfen auf diese Art und Weise durchbiegt, werden
die Rollen 6 in den jeweiligen Reihen mit den jeweiligen
Wälzflächen 45a bis 45c im
wesentlichen gleichmäßig zum
Zeitpunkt der Drehmomentübertragung
in Kontakt gebracht, und die Konzentration des Kontaktflächendrucks
auf die Ränder
der Rollen wird beschränkt.
Als ein Ergebnis dessen kann die Lebensdauer hinsichtlich eines
Abspaltens (exfoliation life) und die Biegedauerfestigkeit der Wälzflächen 45a bis 45c der
Drehzapfen 41 bis 44 der Querwelle 4 erhöht werden.
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Unter Bezugnahme auf einen Fall,
wo die Aussparung 46 jedes Drehzapfens 41 bis 44 in
einer Kugelform in vollem Umfang von dem Bodenbereich 46a bis
zum Öffnungsbereich 46b ausgebildet
ist, statt des Ausbildens in der Kegelform, wirkt die größte Biegespannung
nicht auf den Fuß jedes
Drehzapfens 41 bis 44 sondern wirkt auf die Wälzflächen, die mit
der Aussparung 46 versehen sind, und die Drehzapfen 41 bis 44 werden
hinsichtlich der Festigkeit fehlerhaft.
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Um die obige Beschreibung zusammenzufassen,
ist die Außenumfar
gsfläche
jedes Drehzapfens 41 bis 44 der Querwelle 4,
welche als Wälzflächen der
Rollen wirken, die in drei Reihen auf den Rollenlagern 5a bis 5d vorgesehen
sind, so ausgebildet, dass sie sich im Durchmesser in drei Stufen
zum vorderen Ende hin verringern. Als ein Ergebnis dessen wird eine
Verteilung des Kontaktflächendrucks, der
auf die Rollen 6 in den jeweiligen Reihen zum Zeitpunkt
der Drehmomentübertragung
wirkt, im größten Ausmaß ausgeglichen,
währenddessen
ein Schräglauf
der Rollen verhindert wird. Zusätzlich
ist jeder der Drehzapfen 41 bis 44 der Querwelle 4 mit der
Aussparung 46 versehen, die die oben beschriebene besondere
Struktur aufweist, und daher biegt sich jeder der Drehzapfen 41 bis 44 in
vollem Umfang von dem Fuß her
durch. Als Ergebnis wird der Kontaktflächendruck gleichmäßig auf
die Rollen 6 durch synergistische Effekte der obigen Merkmale
verteilt, und ein Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit
des Querwellengelenks kann erzielt werden.
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Übrigens
ist es möglich,
die Querwelle 4 aus Einsatzstahl herzustellen und für die Außenumfangsfläche jedes
Drehzapfens 41 bis 44 der Querwelle 4 ein
Rollenfluchtverfahren (roller vanishing process) anzuwenden, welche
als die Wälzflächen wirken.
In diesem Fall kann die Dauerfestigkeit der Wälzflächen erhöht werden, da die Restdruckspannung
auf die Wälzflächen durch
das Rollenfluchtverfahren erzeugt wird, und gleichzeitig wird die
Oberflächenrauheit
der Wälzflächen verbessert.
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Darüber hinaus kann die oben beschriebene Rolle 6 mit
einer Balligkeit in einer gekrümmten
Form an beiden Enden derselben ausgebildet sein. In diesem Fall
kann die Konzentration des Kontaktflächendrucks auf die Ränder der
Rolle 6 an beiden Enden in einer Axialrichtung weiter beschränkt werden,
und die Lebensdauer hin sichtlich eines Abspaltens und die Biegedauerfestigkeit
des Bereichs, der als die Wälzfläche der
Rolle 6 wirkt, kann erhöht
werden.
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Es ist anzumerken, dass die Erfindung
nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist,
sondern dass verschiedene Anwendungen und Modifikationen in Betracht
gezogen werden können.
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- (1) Wie in 6 gezeigt
ist, können
Kanäle 47 zum
Zuführen
des Fetts zu den Rollenlagern 5a bis 5d und zum
Bevorraten des Fetts in einem Bereich von der Mitte der Quennrelle 4 zu
den Böden der
Aussparungen 46 der Drehzapfen 41 bis 44 vorgesehen
sein. Die jeweiligen einen Enden dieser Kanäle 47 sind einzeln
an den Mittelpunkten der Böden
der Aussparungen 46 der Drehzapfen 41 bis 44 offen,
währenddessen
die anderen Enden der Kanäle 47 in
einem Kanal an dem Mittelteil der Querwelle 4 vereinigt
werden, so dass sie seitwärts
von dem Mittelteil der Querwelle 4 offen sind. Der Fettnippel 10 zum
Einführen
des Fetts ist an einer Öffnung
des Kanals 47 am Mittelteil der Querwelle 4 montiert.
Der Fettnippel, welcher an dem Außenringtopf 8 in 2 montiert ist, ist in 6 weggelassen. Durch Einführen des Fetts
von dem Fettnippel 10 mittels einer Fettpresse od. dgl.,
wird das Fett in den jeweiligen Kanälen 47 bevorratet
und den Rollenlagern 5a bis 5d jeweils zugeführt. Insbesondere
kann das Fett in einer großen
Menge bevorratet werden, da die Aussparungen 46, die in
den vorderen Endteilen der Drehzapfen 41 bis 44 vorgesehen
sind, ebenfalls als Fettreservoir dienen können.
- (2) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Anzahl
der Reihen der Rollen 6 in jeder der Rollenlager 5a bis 5b zwei
oder mehr sein. In dem Fall, wo die Rollen 6 in zwei Reihen
vorgesehen sind, sind z.B. zwei Wälzflächen, eine große und eine
kleine, auf der Außenumfangsfläche jedes
Drehzapfens 41 bis 44 der Querwelle 4 vorgesehen.
Die Maßbeziehung
der Aussparung 46 ist grundlegend die gleiche, wie bei
der oben beschriebenen Ausführungsform.
- (3) Wie in 7 gezeigt
ist, kann der Außendurchmesser
D2 jedes Drehzapfens 41 bis 44 an der Zwischenwälzfläche 45b in
Axialrichtung gleich zu dem Außendurchmesser
D1 an der Wälzfläche 45a am
Fuß ausgeführt werden.
Somit kann der Außendurchmesser
jedes Drehzapfens 41 bis 44 in zwei Stufen ausgebildet
werden, einer großen
und einer kleinen Stufe, und der Außendurchmesser d2 der Zwischenrolle 6 in
Axialrichtung und die Rolle 6 an dem vorderen Ende können kleiner
als der Außendurchmesser
d1 der Rolle 6, welche am Fuß jedes Drehzapfens 41 bis 44 angeordnet
ist, ausgeführt
werden.
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Sowohl der Außendurchmesser d2 der Zwischenrolle 6 in
Axialrichtung und der Außendurchmesser
d1 der Rolle 6 an dem vorderen Ende sind auf den gleichen
Wert festgesetzt.
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Da entsprechend der Querwelle der
Erfindung jeder der Drehzapfen in vollem Umfang von dem Fuß desselben
zum Zeitpunkt der Drehmomentübertragung
durchgebogen wird, werden die Lebensdauer hinsichtlich eines Abspaltens
und die Biegedauerfestigkeit im Bereich der Außenumfangsfläche jedes
Drehzapfens, welcher als die Wälzflächen für die Rollen
des Wälzlagers
dienen, erhöht.
Auf diese Weise kann ein Beitrag zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit
der Querwelle erreicht werden.
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Da darüber hinaus das Querwellengelenk entsprechend
der Erfindung so aufgebaut ist, dass es die oben beschriebene Querwelle
einschließt,
kann ein Beitrag zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Querwellengelenks
erreicht werden.