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Bezug zu verwandten
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung nimmt die Priorität
der US-Anmeldung Nr. 10/970 553, angemeldet am 21. Oktober 2004,
in Anspruch, bei der es sich um eine Teilfortsetzungsanmeldung der
US-Anmeldung Nr. 10/294 197, angemeldet am 14. November 2002 handelt.
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Hintergrund
der Erfindung
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Gleichlaufgelenke
(CV-Gelenke) sind übliche Bauteile
in Kraftfahrzeugen. Typischerweise werden Gleichlaufgelenke dort
verwendet, wo die Übertragung
einer gleichförmigen
Drehbewegung erwünscht oder
erforderlich ist. Übliche
Arten von Gleichlaufgelenken sind Tripodeverschiebegelenke, axial
feste Tripodegelenke, Kugelverschiebegelenke sowie axial feste Kugelgelenke.
Diese Gelenkarten können
in Fahrzeugen mit Vorderradantrieb oder Fahrzeugen mit Hinterradantrieb
sowie in Gelenkwellen von Fahrzeugen verwendet werden, die einen
Hinterradantrieb, Allradantrieb oder Vierradantrieb haben. Gleichlaufverschiebegelenke
ermöglichen
eine Axialverschiebung während
des Betriebs ohne die Verwendung von Verschiebeprofilen, aber sie
lösen manchmal
Kräfte
aus, durch die Schwingungen und Geräusche entstehen. Gleichlaufverschiebegelenke erlauben
einen Winkelversatz bei gleichzeitiger Axialverschiebung entlang
zweier Achsen davon. Gleichlauffestgelenke ermöglichen in der Regel nur einen
Winkelversatz zwischen zwei Achsen. Die Gleichlauffestgelenke sind
besser für
höhere
Betriebswinkel ausgestattet als ein Gleichlaufverschiebegelenk.
Alle diese Gleichlaufgelenke sind im allgemeinen dauergeschmiert
und durch die Verwendung einer Dichtmanschette abgedichtet, wenn
sie in Antriebswellen eingesetzt werden. So sind Gleichlaufgelenke
abgedichtet, um Schmiermittel im Inneren des Gelenks zu halten,
während
Verunreinigungen und Fremdstoffe, z.B. Schmutz und Wasser, außerhalb
des Gelenks gehalten werden. Dieser Dichtschutz ist notwendig, weil
eine Verschmutzung der Innenräume
des Gleichlaufgelenks innere Schäden und
die Zerstörung
des Gelenks verursacht, wodurch wiederum die Hitzeentwicklung und
der Abrieb der Dichtmanschette erhöht wird, was zu einem vorzeitigen
Versagen der Dichtmanschette mit Schmierfettaustritt und damit zum
Versagen des gesamten Gelenks führen
kann. Das Problem der höheren
Temperaturen wird bei Gleichlauftestgelenken für hohe Drehzahlen bei größeren Winkeln
sehr verstärkt.
Daher können
die durch größere Winkel
verursachten höheren
Temperaturen und erhöhten
Beanspruchungen der Dichtmanschette zu einem vorzeitigen Versagen
bei konventionellen Gleichlaufgelenken führen.
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Allgemein
weisen konventionelle Gleichlauffestgelenke ein wuchtiges und schweres
Gelenkaußenteil
mit einer sphärischen
Innenfläche
und einer Mehrzahl von Bahnen auf. Die Gelenke umfassen auch ein
Gelenkinnenteil mit einer sphärischen
Außenfläche und
darin ausgebildeten Führungsbahnen. Viele
konventionelle Gleichlauffestgelenke verwenden sechs drehmomentnübertragende
Kugeln, die zwischen den Bahnen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils
des Gleichlaufgelenks durch einen Haltekäfig angeordnet sind. Die Kugeln
ermöglichen es,
daß ein
vorher festgelegter Beugungswinkel durch das Gelenk eingenommen
wird und übertragen auf
diese Weise eine gleichförmige
Drehbewegung über
die Wellen des Antriebsstrangsystems des Fahrzeugs.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
wird ein Gleichlaufgelenk vorgeschlagen, umfassend ein Gelenkaußenteil,
das eine Durchtrittsöffnung
mit einer Innenfläche
aufweist, einen Käfig, der
innerhalb der Durchtrittsöffnung
des Gelenkaußenteils
angeordnet ist, ein Gelenkinnenteil mit einer Außenfläche, eine Mehrzahl von Kugeln,
die innerhalb des Käfigs
angeordnet ist, sowie eine mit dem Gelenkinnenteil verbundene Welle.
Der Käfig,
das Gelenkaußenteil,
das Gelenkinnenteil und die Kugeln stehen in einer Wechselbeziehung zueinander,
um den Käfig
zu zentrieren und abzustützen.
Der Käfig bleibt
von einer nicht-abgewinkelten bis zu einer stark abgewinkelten Position
der Welle in einem nicht-abgestützten
Zustand gegenüber
dem Gelenkaußenteil und
dem Gelenkinnenteil.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden auch beim Lesen der folgenden detaillierten
Beschreibung und der anliegenden Ansprüche ersichtlich sowie durch
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines Gleichlaufgelenks, das bis zu einem vorbestimmten
Winkel gemäß der vorliegenden
Erfindung gebeugt ist;
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3 zeigt
eine Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Schmierfettkappe;
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4 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in 3 durch
eine erfindungsgemäße Abdeckung;
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5 zeigt
eine Ansicht von oben auf eine Dichtmanschettenabdeckung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 in 5 durch
eine erfindungsgemäße Dichtmanschettenabdeckung;
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7 zeigt
eine Ansicht von oben auf das erfindungsgemäße Gelenkinnenteil;
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8 zeigt
einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Gelenkinnenteil entlang
der Linie 8-8 in 7;
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9 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gelenkinnenteil entlang
der Linie 9-9 in 7;
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10 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gelenkinnenteil entlang
der Linie 10-10 in 7;
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11 zeigt
eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Käfigs;
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12 zeigt
eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Käfigs;
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13 zeigt
einen Längsschnitt
durch den erfindungsgemäßen Käfig entlang
der Linie 13-13 in 12;
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14 zeigt
einen Abschnitt eines Käfigs
im Teilquerschnitt gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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15 zeigt
eine Nahansicht eines Fensters in einem Käfig gemäß der vorliegenden Erfindung;
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16 zeigt
eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gelenkaußenteils;
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17 zeigt
eine Ansicht von oben auf ein erfindungsgemäßes Gelenkaußenteil;
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18 zeigt
einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Gelenkaußenteil entlang der Linie 18-18
in 17;
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19 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gelenkaußenteil
entlang der Linie 19-19 in 17;
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20 zeigt
einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Gelenkaußenteil entlang der Linie 20-20
in 17;
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21 zeigt
eine Draufsicht des Gelenkinnenteils mit einer Mehrzahl von darin
eingesetzten Kugeln;
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22 zeigt
eine Nahansicht einer Kugelbahn mit einer darin befindlichen Kugel
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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23 zeigt
eine Ansicht von oben des Gelenkaußenteils mit einer Mehrzahl
von darin befindlichen Kugeln;
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24 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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25 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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26 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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27 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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28 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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29 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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30 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
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31 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks;
und
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32 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks.
10.
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Detaillierte
Beschreibung
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In
den Zeichnungen ist ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk 30 dargestellt.
Es wird darauf hingewiesen, daß jede
beliebige Art von Gleichlaufgelenk, wie z.B. ein Tripodeverschiebegelenk,
ein Tripodefestgelenk und dergleichen, einige oder alle der verschiedenen
Merkmale der hier beschriebenen vorliegenden Erfindung enthalten
können.
Gemäß einem
Aspekt ist das erfindungsgemäße Gleichlaufgelenk 30 im
allgemeinen ein Kugelgleichlauffestgelenk mit großem Beugewinkel
für hohe
Drehzahlen zur Verwendung in einer Längswelle oder Antriebswelle. Ein
großer
Winkel kann definiert werden als alles, was gleich oder größer ist
als neun Grad. Diese Gelenke mit großem Beugewinkel können bei
hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen betrieben werden.
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Eine
typische Antriebswelle für
ein Fahrzeug mit Allradantrieb umfaßt eine Mehrzahl von Gleichlaufgelenken 30.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung
auch bei Fahrzeugen mit ausschließlichem Hinterradantrieb, Fahrzeugen mit
ausschließlichem
Vorderradantrieb, Fahrzeugen mit Allradantrieb und solchen mit Vierradantrieb
eingesetzt werden kann. In der Regel umfaßt ein Antriebsstrang einen
Motor, der mit einem Getriebe und einer Abtriebseinheit verbunden
ist. Ein Vorderraddifferential kann eine rechte Seitenwelle und
eine linke Seitenwelle umfassen, die jeweils mit einem Rad verbunden
sind und Kraft zu den Rädern
liefern. An beiden Enden der rechten Seitenwelle und der linken Seitenwelle
sind Gleichlaufgelenke vorgesehen. Eine Längswelle verbindet das Vorderraddifferential
und das Hinterraddifferential mit dem Verteilergetriebe oder der
Abtriebseinheit. Das Hinterraddifferential kann eine rechte Seitenwelle
und eine linke Seitenwelle umfassen, die beide mit einem Rad an
einem ihrer Enden abgeschlossen werden. In der Regel befindet sich
ein Gleichlaufgelenk an beiden Enden der Halbwelle, die das Rad
mit dem Hinterraddifferential verbindet. Die Längswelle kann allgemein eine
mehrteilige Längswelle
sein, die eine Mehrzahl von Kardangelenken und/oder Gleichlaufgelenken 30 für hohe Drehzahlen
umfaßt.
Die Gleichlaufgelenke 30 übertragen Kraft über die
Antriebs welle zu den Rädern,
selbst wenn die Räder
oder die Welle aufgrund der Lenkung, durch das Heben oder Senken
der Fahrzeugaufhängung,
etc. veränderliche
Winkel zueinander haben. Die Gleichlaufgelenke 30 können in jeder
beliebigen der bekannten Standardarten ausgeführt sein, wie z.B. als Tripodeverschiebegelenk, Kreuzbahnengelenk,
Festgelenk oder Tripodefestgelenk, welches alle üblicherweise bekannte Bezeichnungen
in der Technik für
verschiedene Abwandlungen von Gleichlaufgelenken sind. Die Gleichlaufgelenke
erlauben die Übertragung
von gleichförmigen Geschwindigkeiten
bei vielen verschiedenen Winkeln, die beim alltäglichen Betrieb von Kraftfahrzeugen
an beiden Halbwellen und an den Längswellen dieser Fahrzeuge
auftreten.
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Die 1 bis 23 zeigen
eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Ein Gleichlaufgelenk 30 mit
großem
Beugewinkel für
hohe Drehzahlen ist im allgemeinen in den 1 und 2 zu
sehen. Das Gleichlaufgelenk 30 umfaßt ein Gelenkaußenteil 32,
das eine bis an den Umfang reichende Durchtrittsöffnung 34 (siehe 17)
darin aufweist. Das Gelenkaußenteil 32 hat
ein allgemein ringförmiges
Aussehen. An einer Außenfläche des
Gleichlaufgelenkaußenteils 32 befindet
sich zumindest ein Umfangskanal 36, der um den gesamten
Außenumfang des
Gelenkaußenteils 32 herum
verläuft.
Das Gelenkaußenteil 32 weist
auch eine Mehrzahl von Montageöffnungen 42 auf,
die äquidistant
zueinander um den Außenumfang
angeordnet sind. Das Gelenkaußenteil 32 besteht
in der Regel aus einem Stahlwerkstoff, es wird jedoch darauf hingewiesen,
daß jede andere
Art von Metallwerkstoff, Hartkeramik, Kunststoff, Verbundstoff und
dergleichen ebenfalls für
das Gelenkaußenteil 32 verwendet
werden kann. Der Werkstoff ist vorzugsweise in der Lage, den hohen Drehzahlen,
Temperaturen und Kontaktdrücken
des Gleichlaufgelenks 30 standzuhalten. Das Gelenkaußenteil 32 umfaßt darüber hinaus
eine Mehrzahl von axial zueinander entgegengesetzt liegenden Kugelbahnen 38,
die in einer Innenfläche
davon ausgebildet sind. Die Bahnen sind dergestalt axial zueinander entgegengesetzt,
daß sich
eine Hälfte
der Kugelbahnen 38 zu einer Seite des Gelenkaußenteils 32 öffnet, die
der der anderen Hälfte
der Kugelbahnen 38 entgegengesetzt ist. Aus diesem Grund
sind in dieser einen Ausführung
die axialen Steigungen der Kugelbahnen 38 in axialer Richtung
in einem abwechselnden Muster zueinander entgegengesetzt. Dies stellt eine
Verringerung der Käfigkräfte und
eine Reduzierung von zumindest einem der Führungsbereiche sicher und verbessert
den Wirkungsgrad und die Wärmekennwerte
des Gleichlaufgelenks 30. In der vorliegenden Erfindung
können
die Kugelbahnen 38 auch eine gottische oder elliptische
Form aufweisen, vorausgesetzt, der Druckwinkel und die Konformität werden
beibehalten.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß das
Gelenkaußenteil 32 gemäß einem
Aspekt dünner,
als die Gelenkaußenteile
von konventionellen Gleichlaufgelenken ist. Dies trägt zu einer
Gewichtsreduzierung des Gelenkaußenteils 32 bei, während gleichzeitig auch
der Platzbedarf des Gleichlaufgelenks 30 verringert wird.
In einer Ausführung
hat das Gelenkaußenteil 32 etwa
eine Dicke von vierundzwanzig mm, kann jedoch eine beliebige Breite
von weniger als einhundertfünfzig
mm für
ein Scheibengelenk aufweisen, kann jedoch für ein Monoblockgelenk, je nach den
Konstruktionsanforderungen für
das Kraftfahrzeug, auch viel größer sein
als das.
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Die
Kugelbahnen 38 in der Innenfläche des Gelenkaußenteils 32 sind
auch Bahnen mit doppeltem Offset. Die Bahnen 38 mit doppeltem
Offset enthalten sowohl einen radialen Offset 43 als auch
einen axialen Offset 41. Dadurch werden die Kugelbahnen 38 flacher
und unterstützen
das Abrollen, wodurch der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Gleichlaufgelenks 30 verbessert
wird. Es sei angemerkt, daß die
abgeflachten Kugelbahnen 38 zu einer verbesserten Bahnrandabstützung führen. Dies
erlaubt einen höheren
Druckwinkel und eine bessere Konformität der Kugel 44 zur
Bahn 38. Dadurch kann das Gelenk 30 bei einem
größeren Winkel
gebeugt werden, als dies bei konventionellen Gelenken möglich ist,
während
gleichzeitig eine hervorragende Widerstandsfähigkeit aufrechterhalten wird.
Der axiale Offset 41 und der radiale Offset 43 (siehe 19)
haben Werte, die zusammen mit dem Teilkreisdurchmesser (PCD), der
als Abstand vom Mittelpunkt einer Kugel 44 auf einer Seite
zum Mittelpunkt einer Kugel 44 auf der anderen Seite durch
einen Mittelpunkt des Gelenks 30 definiert ist, vorher
festgelegte Verhältnisse zueinander
bilden. Die vorgegebenen Quotienten von axialem Offset 41,
radialem Offset 43 und Teilkreisdurchmesser (PCD) erlauben
ein besseres Abrollen der Kugeln und verbessern den Wirkungsgrad des
Gleichlaufgelenks 30. Es wird darauf hingewiesen, daß die in
den Zeichnungen dargestellte Ausführung ein „Vier plus Vier"-Gleichlaufgelenk 30 ist,
das insgesamt acht Kugeln im Gleichlaufgelenk 30 trägt. Es wird
jedoch angemerkt, daß auch
Gelenke mit zehn Kugeln, sechs Kugeln oder vier Kugeln geplant sind,
in denen einige oder alle Merkmale des erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks 30 enthalten
sind.
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Das
Gleichlaufgelenk 30 umfaßt auch ein Gelenkinnenteil 46,
das im allgemeinen eine Ringform hat. Das Gelenkinnenteil 46 ist
innerhalb der Durchtrittsöffnung 34 des
Gelenkaußenteils 32 angeordnet.
Das Gelenkinnenteil 46 weist eine Innenbohrung 48 (siehe 17)
auf und hat eine Mehrzahl von Kugelbahnen 52, die axial
entgegengesetzt zueinander liegen. Die Kugelbahnen 52 sind
allgemein sphärisch
gekrümmt
und den Kugelbahnen 38 des Gelenkaußenteils 32 zugeordnet,
so daß sich
der axiale Winkel in eine ähnliche
oder die gleiche Richtung öffnet,
wie der der Kugelbahnen 38, die im darüber liegenden Gelenkaußenteil 32 direkt
zugeordnet sind. Bei den Kugelbahnen 52 in der äußeren Kugelfläche des
Gelenkinnenteils 46 ist eine Hälfte der Kugelbahnen 52 axial
in eine Richtung ausgerichtet, während
die andere Hälfte
der Kugelbahnen 52 axial in die entgegengesetzte Richtung
weisen. In der dargestellten Ausführung öffnen sich die Kugelbahnen 52 abwechselnd über den
Außenumfang
des Gelenkinnenteils 46. Die Kugelbahnen 52 mit
der sphärischen
oder der elliptischen Form im Gelenkinnenteil 46 weisen
auch einen doppelten Offset auf, der sowohl einen radialen Offset 43 als
auch einen axialen Offset 41 umfaßt (siehe 19),
um eine Abflachung der sphärischen
Bahnen zu fördern.
Das führt
zu einem verbesserten Wirkungsgrad und einer höheren Lebensdauer des Gleichlaufgelenks 30,
wie oben bereits für
das Gelenkaußenteil 32 erläutert. Es
sei angemerkt, daß das
Gelenkinnenteil 46 in einer Ausführung aus Stahl besteht. Es
kann jedoch auch jedes andere Metall, Metallverbundwerkstoff, Hartkunststoff,
Keramik und dergleichen verwendet werden.
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Das
Gleichlaufgelenk 30 umfaßt einen Kugelkäfig 54,
der im allgemeinen die Form eines Ringes hat. Der Kugelkäfig 54 ist
innerhalb der Durchtrittsöffnung 34 des
Gelenkaußenteils 32 so
angeordnet, daß er
nicht mit der Innenfläche
des Gelenkaußenteils 32 in
Kontakt ist. Der Käfig 54 weist
eine Mehrzahl von länglichen
Fenstern 56 in einer Fläche davon
auf. Die Anzahl der Fenster 56 entspricht der Anzahl der
Kugelbahnen 38, 52 im Gelenkaußenteil 32 und im
Gelenkinnenteil 46 des Gleichlaufgelenks 30. In
einer Ausführung,
wie die in den Zeichnungen gezeigte, befinden sich acht Fenster 56 (siehe 11)
darin. Der Käfig 54 wird
ausschließlich
von der Außenfläche des
Gelenkinnenteils 46 zentriert und abgestützt. Die
Verwendung von axial entgegengesetzten Bahnen ermöglicht eine
Zentrierung des Käfigs 54,
während
gleichzeitig ein vorher festgelegter Abstand zu den Randflächen des
Gelenkaußenteils 32 aufrechterhalten
wird. Dies stellt sicher, daß das
Gleichlaufgelenk 30 im belastungsfreien Zustand symmetrisch
ist. Es ermöglicht
eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Gleichlaufgelenks 30 um etwa
20%. Wenn kein Kontakt zwischen der Innenfläche des Gelenkaußenteils 32 und
der Außenfläche des
Käfigs 54 gegeben
ist, wird der Wirkungsgrad um den ungefähren Anteil verbessert, wie
oben angegeben, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der
Dichtmanschette mit Schmierfettaustritt aufgrund thermischer Beanspruchung
verringert wird. Der Käfig 54 ist
auch so konstruiert, daß er
keine Käfignuten
aufweist, die den Käfig 54 schwächen würden. Dadurch
kann ein Einbau des Gelenkinnenteils 46 innerhalb des Käfigs 54 ohne
den Einsatz von speziellen Käfignuten
erfolgen. Der Käfig 54 besteht zusammen
mit dem Gelenkinnenteil 46 vorzugsweise aus Stahlwerkstoffen,
wobei jedoch jeder andere harte Metallwerkstoff, Kunststoff, Verbundwerkstoff, Keramik
und dergleichen zum Einsatz kommen können. Der Käfig 54 in der vorliegenden
Erfindung ist fast im Gleichgewicht und daher gleichen sich die meisten
der Kontaktbeanspruchungen gegenseitig aus. Dies trägt ebenfalls
dazu bei, den Wirkungsgrad des Gleichlaufgelenks 30 zu
erhöhen.
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Das
Gleichlaufgelenk 30 umfaßt eine Mehrzahl von Kugeln 44.
Die Kugeln 44 haben allgemein einen größeren Durchmesser als Kugeln
in herkömmlichen
Gleichlaufgelenken. Der größere Durchmesser
ist zulässig,
da der Einbauwinkel für
das Gleichlaufgelenk 30 kleiner ist als für die meisten
Gelenke des derzeitigen Standes der Technik. Die Verwendung der
Kugeln 44 mit größerem Durchmesser reduziert
auch die Kontaktbeanspruchung an den Bahnen 38, 52 des
Gelenkinnenteils 46 und des Gelenkaußenteils 32. Die Kugeln 44 mit
größerem Durchmesser
sind jeweils innerhalb eines der Fenster 56 des Käfigs 54 und
in den Kugelbahnen 38, 52 des Gelenkaußenteils 32 und
des Gelenkinnenteils 46 angeordnet. Aus diesem Grund können die
Kugeln 44 in den axial entgegengesetzt liegenden Bahnen 38, 52 abrollen,
die in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Die Verwendung des
doppelten Offset bedeutet, daß der
radiale Weg, den die Kugeln zurücklegen,
flacher ist, wodurch ein größerer Winkel
in einem kleineren, leichteren Gleichlaufgelenk 30 ermöglicht wird.
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Das
Gleichlaufgelenk 30 weist eine Schmierfettkappe 58 an
einem Ende auf. Die Schmierfettkappe 58 ist becherförmig ausgebildet.
Die Schmierfettkappe 58 besteht in der Regel aus einem
Metallwerkstoff. Es kann jedoch auch jeder beliebige andere Werkstoff,
wie Kunststoff, Kautschuk, Keramik, Verbundwerkstoff und dergleichen
verwendet werden. Die Kappe 58 ist durch eine Preßpassung
befestigt oder mit der Außenfläche des
Gelenkaußenteils 32 über einen
der Umfangskanäle 36 mit
der Außenfläche verbunden.
Es kann jedoch auch jede andere bekannte Befestigungsart benutzt
werden, wie z.B. lösbare
Verbindungselemente, Kleben, etc. Die Schmierfettkappe 58 stellt
sicher, daß das
Schmierfett, das als Schmiermittel verwendet wird, innerhalb des
Gleichlaufgelenks 30 bleibt. Eine Entlüftung kann innerhalb der Kappe 58 vorgesehen
sein, um jeglichen Innendruck entweichen zu lassen. Wie in den 3 und 4 gezeigt,
umfaßt
die Kappe eine Mehrzahl von Nuten 70, die eine Drehung
der Kugeln 44 innerhalb des Gleichlaufgelenks 30 bei
großen Winkeln
ermöglichen.
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An
einem der Schmierfettkappe 58 entgegengesetzten Ende des
Gelenkaußenteils 32 befindet
sich eine Dichtmanschettenabdeckung 60, die im allgemeinen
eine umfangsförmige
Gestalt hat. Die Manschettenabdeckung 60 ist mit der Außenfläche des
Gelenkaußenteils 32 entweder über einen
Umfangskanal 36 an einer Außenfläche davon verbunden oder durch
eine beliebige andere bekannte Befestigungsart. Die Manschettenabdeckung 60 umfaßt einen
Umfangskanal 62 an einem Ende, das dem mit dem Gelenkaußenteil 32 verbundenen
Ende entgegengesetzt ist, um darin eine biegsame Manschette 64 festzulegen.
Die Manschettenabdeckung 60 besteht in der Regel aus einem
Metallwerkstoff, es kann jedoch auch Kunststoff, Kautschuk, Keramik,
Verbundwerkstoff und dergleichen Verwendung finden.
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Eine
biegsame Manschette 64 ist zwischen der Manschettenabdeckung 60 und
einem Wellenzapfen 66 des Gleichlaufgelenks 30 befestigt.
Jede bekannte Befestigungsart kann eingesetzt werden, um die Manschette 64 auf
der Welle 66 festzulegen, wie z.B. eine Manschettenklemme,
lösbare
Befestigungselemente, etc. Die biegsame Manschette 64 besteht
im allgemeinen aus einem Urethanwerkstoff. Es kann jedoch jedes
andere biegsame Material für die
Gleichlaufgelenksmanschette 64 verwendet werden, wie z.B.
Stoff, Kunststoff oder Kautschuk, sofern es in der Lage ist, der
hohen Temperatur und den hohen Drehgeschwindigkeiten des Gleichlaufgelenks 30 standzuhalten.
Es wird darauf hingewiesen, daß die
Manschette 64 so angeordnet ist, daß die Manschette 64 innerhalb
des Außenumfangs
des Käfigs 54 liegt.
Dies ermöglicht
der Manschette 64, sich näher an die Mittellinie des
Gleichlaufgelenks 30 heranzubewegen, wodurch der Platzbedarf
verkleinert, die Belastung auf die Manschette reduziert und die Wahrscheinlichkeit
eines Manschettenversagens und eines Versagens des Gleichlaufgelenks
verringert werden. 1 zeigt das Gleichlaufgelenk 30 in einer
Gleichgewichtsposition und zeigt die Manschette 64 innerhalb
des Außendurchmessers
des Käfigs 54. 2 zeigt
die Manschette 64, wenn das Gleichlaufgelenk 30 einen
großen
Winkel, d.h. etwa 15 Grad, bildet. Die Manschette 64 ist
noch immer innerhalb des Außendurchmessers
des Käfigs 54,
während
sie sich gleichzeitig näher
an der Mittellinie des Gelenks 30 befindet, wodurch jegliche
Manschettenbelastung reduziert wird.
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Der
Wellenzapfen 66 ist über
eine Wellenverzahnung 50 am Gelenkinnenteil 46 des
Gleichlaufgelenks 30 festgelegt. Der Wellenzapfen 66 ist
in der Regel aus einem Vollmaterial und üblicherweise an einem Wellenrohr 68 an
einem Ende davon angeschweißt.
Der Wellenzapfen 66 und das Längswellenrohr bewegen sich
bei einem Aufprallereignis durch die innere Durchtrittsöffnung 34 des
Gelenkaußenteils 32 hindurch,
reduzieren somit die bei der Kollision auftretenden Kräfte und
absorbieren Energie, während
es kollabiert. Es wird darauf hingewiesen, daß, gemäß einem Aspekt, der Teilkreisdurchmesser
(PCD) und die Größe der Kugeln 44 vorher so
festgelegt sind, daß ein
Gleichgewicht dergestalt ermöglicht
wird, daß das
Gelenkinnenteil 46 und die Kugeln 44 während des
Aufpralls aus dem Gelenkaußenteil 32 herausfallen,
wodurch die Welle 66 und die rohrförmigen Bauteile darin ineinanderfahren
können.
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Die
axial entgegengesetzten Kugelbahnen 38 und 52 sind
bei der Konstruktion im Gelenkaußenteil 32 und im
Gelenkinnenteil 46 mit dem doppelten Offset zueinander
ausgerichtet. Die Beseitigung der sphärischen Kontaktflächen des
Gelenkaußenteils und
die vernünftige
Wahl des Teilkreisdurchmessers (PCD) und der Kugelgröße er lauben
ein starke Verbesserung des Wirkungsgrades, während sie gleichzeitig die
Lebensdauer erhöhen.
Bei dem Gleichlauffestgelenk 30 sind vorher festgelegte
Verhältnisse zueinander,
wie oben beschrieben, beabsichtigt. Ein Verhältnis C1, welches der Quotient
aus Kugeldurchmesser und Teilkreisdurchmesser ist, sollte bei einer 8-Kugel-Einheit,
wie sie oben beschrieben ist, gleich oder größer als 0,217 sein, aber gleich
oder kleiner als 0,275. In einem „Drei-plus-drei"-Gelenk könnte das
Verhältnis
C1 jedoch gleich oder größer als
0,217 und kleiner oder gleich 0,318 sein. Es wird darauf hingewiesen,
daß es
bei einem zu großen
C1-Verhältnis zu
einer Reduzierung der Festigkeit des Käfigs 54 und des Gelenkinnenteils 46 und
zu einem Wirkungsgradverlust kommt, weil die größeren Kugeln 44 während der
Bewegung des Gleichlaufgelenks 30 gleiten. Wenn jedoch
das Verhältnis
C1 zu klein ist, treten Probleme im Zusammenhang mit der Montage des
Gelenkinnenteils 46 im Käfig 54 auf. Außerdem kommt
es aufgrund von fehlender Bahnrandabstützung und reduziertem Kugeldurchmesser
zu Problemen, die die Lebensdauer betreffen. Der kleinere Verhältniswert
fördert
das Abrollen und erhöht
den Wirkungsgrad des Gleichlaufgelenks 30.
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Ein
Verhältnis
X1 ist definiert als der Quotient aus axialem Offset und Teilkreisdurchmesser
und sollte innerhalb des Bereichs von gleich oder größer als
0,06753 und gleich oder kleiner als 0,135 liegen. Wenn das X1-Verhältnis zu
groß ist,
verliert das Gleichlaufgelenk aufgrund von höheren Kugel- und Käfigkräften an
Wirkungsgrad. Die größere Abweichung
des Kugelweges kann auch eine Vergrößerung des Außendurchmessers
des Gelenkaußenteils 32 erzwingen,
um eine adäquate
Festigkeit des Gleichlaufgelenks 30 aufrechtzuerhalten.
Der größere Verhältniswert
kann auch die Bahnrandabstützung bei
größeren Beugewinkeln
reduzieren, wie sie in vielen derzeitigen sportlichen Nutzfahrzeugen
(SUV) auftreten. Wenn jedoch das X1-Verhältnis
zu klein ist, kommt es zu unzureichenden Steuerungskräften, wodurch
der korrekte Betrieb des Gleichlaufgelenks 30 blockiert
wird. Zusätzlich
besteht bei einem kleinen Verhältnis
X1 die Tendenz, daß die
Bahnen flacher werden und daß ein
besseres Abrollverhalten gefördert
wird, wodurch folglich der Wirkungsgrad des Gleichlaufgelenks 30 verbessert
wird.
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Ein
weiteres Verhältnis
Y1, das als der Quotient aus radialem Offset und Teilkreis durchmesser definiert
ist, sollte gleich oder größer als
0,188 sein. Falls dieses Y1-Verhältnis zu
klein ist, kann eine größere Abweichung
des Kugelweges eine Vergrößerung des
Außendurchmessers
des Gelenkaußenteils erzwingen,
um eine ausreichende Festigkeit des Gleichlaufgelenks 30 aufrechtzuerhalten.
Ein kleines Y1-Verhältnis kann
auch die Bahnrandabstützung
bei größeren Beugewinkeln
reduzieren, wodurch die Widerstandsfähigkeit des Gleichlaufgelenks 30 verringert
wird. Ein großes
Y1-Verhältnis
bewirkt eine Abflachung der Bahn und verbessert den Wirkungsgrad,
indem es ein besseres Abrollverhalten der Kugeln 44 fördert.
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Aus
diesem Grund verwendet die vorliegende Erfindung eines Gleichlaufgelenks 30 mit
großem Beugewinkel
für hohe
Drehzahlen eine Kombination von Neuerungen, um eine kleineres, zuverlässigeres und
effizienteres Gelenk zu schaffen. Das Gleichlaufgelenk 30 hat
bei einer gegebenen Kapazität
einen geringeren Platzbedarf, während
gleichzeitig das Gewicht des Gleichlaufgelenks 30 verringert
ist. Das Gleichlaufgelenk kann mindestens doppelt so leistungsfähig sein
wie das Standard-Gelenk mit großem Beugewinkel
und ist zuverlässiger,
wodurch die Zufriedenheit der Automobilhersteller vergrößert wird, während gleichzeitig
die Anzahl der Gelenkversagen und anschließenden Garantieprobleme abnehmen. Es
wird darauf hingewiesen, daß verschiedene
Parameter, wie z.B. der radiale Offset, der axiale Offset und der
Teilkreisdurchmesser eingestellt werden können, um speziell abgestimmte
Ziele für
das Gleichlaufgelenk 30 zu erreichen, wie z.B., aber nicht ausschließlich, die
Größe des für das Gleichlaufgelenk 30 im
Antriebsstrangsystem notwendigen oder geforderten Beugewinkels.
Die Verwendung des Gelenkaußenteils 32 mit
kleinerem Durchmesser und geringerer Weite bringt auch eine Reduzierung
der Kosten und der Montagekomplexität bei dem Gleichlaufgelenk 30 für die Automobilhersteller
mit sich, wodurch die Gesamtkosten des Kraftfahrzeugs verringert
werden. Infolgedessen hat das Gleichlauffestgelenk 30 mit
großem
Beugewinkel (gleich oder größer als
neun Grad) für
hohe Drehzahlen einen besseren Wirkungsgrad und eine höhere Zuverlässigkeit
als herkömmliche
Gleichlaufgelenke für
hohe Drehzahlen, die bei hohen Temperaturen laufen und dabei vorzeitiges
Manschettenversagen mit Schmierfettaustritt verursachen. Das Problem
des temperaturbedingten Manschettenversagens verstärkt sich
bei größeren Winkeln,
folglich müssen
die konstruktiv bedingten Beschränkungen
der konventionellen Gleichlaufgelenke aufgehoben werden, um die Gelenkzuverlässigkeit
und Zufriedenheit zu erhöhen. Dabei überwindet
die vorliegende Erfindung des Gleichlaufgelenks 30 mit
großem
Beugewinkel für hohe
Drehzahlen diese Probleme durch die Beseitigung der sphärischen
Käfigabstützfläche am Gelenkaußenteil 32 in
Kombination mit einer Mehrzahl von axial entgegengesetzten Bahnen 38, 52,
wobei jede der Bahnen 38, 52 einen doppelten Offset
aufweist. Dies ermöglicht
große
Winkel, während
gleichzeitig der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Gleichlaufgelenks 30 durch
besseres Abrollen der Kugeln innerhalb des Gelenks 30 gefördert werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 24 und 25 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt und erläutert. In 24 wird
ein Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt, der die Abstützung des
Käfigs 54 betrifft,
wenn der Wellenzapfen 66 in einer nicht-abgewinkelten (0
Grad) Position ist. Wie in den vorgehenden Aspekten beschrieben,
wird eine Krafteinwirkung entlang der Drehachse des Gleichlaufgelenks 30 durch
den Einsatz von axial entgegengesetzten Bahnen 38, 52 minimiert.
Insbesondere neigen die Bahnen 38, 52, die in
einer ersten Ausrichtung einen Winkel bilden, dazu, eine Kraft in
einer axialen Richtung zu erzeugen, während die Bahnen 38, 52,
die in einer zweiten Ausrichtung einen Winkel bilden, dazu neigen,
eine Kraft in einer entgegengesetzten axialen Richtung zu erzeugen.
Die Resultierende ist eine minimierte, verringerte oder abgeschwächte Gesamtkraft
entlang der Axialrichtung des Käfigs 54.
Dementsprechend wird durch den Einsatz von entgegengesetzt ausgerichteten
Bahnen 38, 52 das Maß an Abstützung minimiert, das erforderlich
ist, um den Käfig 54 zu
zentrieren und abzustützen
und um zu verhindern, daß er
sich von den anderen Bauteilen des Gleichlaufgelenks löst.
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In
dem in 24 beschriebenen Aspekt ist der
Käfig 54 in
einer nicht-abgestützten
Anordnung zwischen dem Gelenkaußenteil 32 und
dem Gelenkinnenteil 46 positioniert. Insbesondere verhindern die
obere Fläche 104 und
die untere Fläche 106 des Käfigs 54 nicht
die Bewegung des Käfigs 54 in
radialer oder axialer Richtung. Der Käfig 54 wird in der
Regel durch den Kontakt der Kugeln 44 in den Fenstern 56 zwangsweise
gehalten. Gemäß einem
Aspekt kommen die obere Fläche 104 und
die untere Fläche 106 des
Käfigs 54 nicht
mit der Fläche 100 des
Gelenkaußenteils 32 oder
der Fläche 102 des
Gelenkinnenteils 46 in Kontakt. Wie in 25 zu
sehen ist, ist diese nicht-abstützende
Anordnung gegeben, gleichgültig,
ob der Wellenzapfen 66 in einer nicht-abgewinkelten (0
Grad) Position oder einer stark abgewinkelten Position ist. Dementsprechend „schwebt" der Käfig im wesentlichen
auf eine unabgestützte
Weise zwischen dem Gelenkinnenteil 46 und dem Gelenkaußenteil 32.
Das Kräftegleichgewicht,
das durch die unterschiedlichen Winkelausrichtungen der Bahnen 38, 52 erzeugt
wird, gibt Halt in der axialen Richtung, um den Käfig 54 und
weitere Komponenten zu zentrieren und abzustützen. Obwohl die vorliegende
Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung dieses Kräftegleichgewichts zum
Abstützen
und Zentrieren des Käfigs 54 beschrieben
wird, versteht der Fachmann natürlich,
daß andere
Mittel zum Zentrieren und Abstützen
eingesetzt werden können,
um den Käfig 54 in
einer zentrierten und abgestützten
Position zu halten, an der das Gelenkaußenteil 32 oder das
Gelenkinnenteil 46 nicht beteiligt sind. Es versteht sich
auch, daß der Mangel
an Abstützung
durch das Gelenkaußenteil 32 oder
das Gelenkinnenteil 46 nur in der axialen oder einer radialen
Richtung vorliegen kann.
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In
den 26 und 27 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt und erläutert. In 26 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt, der sich
auf die Abstützung
des Käfigs 54 bezieht,
wenn der Wellenzapfen 66 in einer nicht-abgewinkelten (0
Grad) Position ist. In 26 hat die obere Fläche 104 des
Käfigs 54 einen
einzigen Kontaktpunkt 108 mit der Fläche 100 des Gelenkaußenteils 32.
Eine solche Kontaktposition gibt eine minimale Abstützung in
axialer Richtung. Dieser Kontakt dient jedoch dazu, den Käfig 54 zu zentrieren
und eine radiale Bewegung zu verhindern. Der einzige Kontaktpunkt 108 umfaßt einen
minimalen Flächenbereich.
Die untere Fläche 106 des
Käfigs 54 befindet
sich jedoch in einer nicht-abgestützten Anordnung mit dem Gelenkinnenteil 46.
Genauer gesagt, ist die untere Fläche 106 nicht mit
der Fläche 102 des
Gelenkinnenteils 46 in Kontakt. Wie in 27 zu
sehen, bleibt ein einzelner Punktkontakt 108 zwischen der
oberen Fläche 104 und
der Fläche 100 erhalten,
wenn sich der Wellenzapfen 66 in eine stark abgewinkelte
Position bewegt. Zusätzlich
bewirkt dieser einzelne Punktkontakt 108 eine Zentrierung
des Käfigs 54 und
verhindert eine Bewegung in radialer Richtung.
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In
den 28 und 29 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung darge stellt und erläutert. In 26 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt, der sich
auf die Abstützung
des Käfigs 54 bezieht,
wenn der Wellenzapfen 66 in einer nicht-abgewinkelten (0
Grad) Position ist. In 28 hat die obere Fläche 104 des
Käfigs 54 einen
Kontaktpunkt 110 mit der Fläche 102 des Gelenkinnenteils 46.
Wie zuvor gibt der einzelne Punktkontakt zusätzlichen Halt, um den Käfig 54 zu
zentrieren und abzustützen.
Das Gelenkaußenteil 32 befindet sich
jedoch in einer nicht-abstützenden
Beziehung zum Käfig 54. 29 zeigt
diesen einzelnen Punktkontakt 110 zwischen dem Käfig 54 und
dem Gelenkinnenteil 46, wenn der Wellenzapfen 66 in
einer stark abgewinkelten Position ist.
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In
den 30–32 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt und erläutert. In 30 wird
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt, der sich
auf die Abstützung
des Käfigs 54 bezieht,
wenn der Wellenzapfen 66 in einer nicht-abgewinkelten (0
Grad) Position ist. In 30 ist ein Ausschnittabschnitt 112 in
der Fläche 102 des
Gelenkinnenteils 46 zu sehen. Der Ausschnittabschnitt 112 minimiert
die Größe der freiliegenden
Fläche,
die mit der Fläche 106 des
Käfigs 54 in
Kontakt kommen kann. Genauer gesagt, wie in 30 gezeigt,
berührt
die Fläche 106 des
Käfigs 54 die
Fläche 102 des
Gelenkinnenteils 46 nur in den Punktkontakten 116 und 114.
Aufgrund des Ausschnittabschnitts 112 fehlt ein Flächenbereich,
der sonst einen Kontakt zwischen dem Käfig 54 und dem Gelenkinnenteil 46 hergestellt
hätte.
Folglich wird der Käfig
nur durch die Punktkontakte 114 und 116 abgestützt und
zentriert. Es ist durch die vorliegende Erfindung weiterhin vorgesehen,
den Ausschnittabschnitt 112 abwechselnd in der Fläche 100 des
Gelenkaußenteils 32 einzuarbeiten.
Dementsprechend würde die
Fläche 104 des
Käfigs 54 minimiert
und die Punktkontakte 116 und 114 wären zwischen
den Flächen 104 des
Käfigs 54 und
der Fläche 100 des
Gelenkaußenteils 32.
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In 31 kommt
in einer Ausführung
die obere Fläche 104 des
Käfigs 54 nicht
mit der Fläche 100 des
Gelenkaußenteils 32 in
Kontakt, wenn der Wellenzapfen in der stark abgewinkelten Position
ist. Genauer gesagt, bewegt sich in der dargestellten Ausführung die
Position des Punktkontaktes 116 am Gelenkinnenteil 46 außer Kontakt
mit der Fläche 106 des
Käfigs 54.
Dann gibt in einer stark abgewinkelten Position nur der Punktkontakt 114 dem
Käfig 54 zusätzlichen
Halt. Jedoch können
die Länge
des Ausschnittabschnitts 112 sowie die Gesamtabmessungen
des Käfigs 54,
des Gelenkinnenteils 46 und des Gelenkaußenteils 32 so
gewählt
werden, daß in
der stark abgewinkelten Position, wie in der Figur gezeigt, beide
Kontaktpunkte 114 und 116 zwischen dem Gelenkinnenteil 46 und
dem Käfig 54 vorhanden sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird in einer veranschaulichenden Weise beschrieben.
Es versteht sich, daß die
verwendete Terminologie der Beschreibung dienen soll und nicht der
Beschränkung.
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Viele
Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind möglich im
Licht der vorhergehenden Lehren. Aus diesem Grund kann die vorliegende
Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche anders
ausgeübt
werden als sie spezifisch beschrieben ist.
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Die
Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk mit einem Gelenkaußenteil,
das eine Durchtrittsöffnung mit
einer Innenfläche
aufweist, einem Käfig,
der innerhalb der Durchtrittsöffnung
des Gelenkaußenteils angeordnet
ist, einem Gelenkinnenteil mit einer Außenfläche, einer Mehrzahl von Kugeln,
die innerhalb des Käfigs
angeordnet sind, sowie mit einer mit dem Gelenkinnenteil verbundenen
Welle. Der Käfig,
das Gelenkaußenteil,
das Gelenkinnenteil und die Kugeln stehen in einer Wechselbeziehung
zueinander, um den Käfig
zu zentrieren und abzustützen.
Der Käfig bleibt
von einer nicht-abgewinkelten bis zu einer stark abgewinkelten Position
der Welle in einem nicht-abgestützten
Zustand gegenüber
dem Gelenkaußenteil und
dem Gelenkinnenteil.