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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tripodegelenk mit einem Gelenkaußenteil und einem Gelenkinnenteil mit einem Zentralkörper, der drei angeformte Zapfen aufweist. Auf den Zapfen ist jeweils ein Rollenkörper angeordnet.
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Gelenke dieser Art sind bekannt aus der
DE 100 32 065 A1 , nach der die Zapfen des Tripodegelenkes jeweils zwei, sich in axialer Richtung des Gelenkes gegenüberliegende, Stirnflächen in Form von Kugelabschnitten und in Umfangsrichtung gegenüberliegende Gleitflächen aufweisen, um eine niedrige Flächenpressung bei der Drehmomentübertragung über die Zapfen zu verwirklichen. Dabei wird gleichermaßen vorgeschlagen, dass die Lagernadeln des außen um den Zapfen gebildeten Rollenkörpers an den Stirnflächen des Zapfen in Form von Kugelabschnitten einerseits sowie an den Gleitflächen in Umfangsrichtung gegenüberliegende Scheibensegmente andererseits radial innen geführt sind. Dabei haben die Scheibensegmente außen liegende Laufflächen, die als Zylindermantelflächen ausgebildet sind, so dass die Lagerkörper jeweils auf einer, aus den Stirnflächen der Zapfen und den Außenflächen der Scheibensegmente zusammengesetzten, Umfangfläche und auf der Innenfläche eines Außenringes des Rollenkörpers abrollen können. Hier wird also die Innenlauffläche der Lagernadeln mit drei Bauteilen verwirklicht, nämlich mit dem Zapfen und den beiden Scheibensegmenten. Folglich müssen die Lagernadeln im Betrieb über die Fugen zwischen den Scheibensegmenten und Zapfen hinwegrollen, wodurch es zu einem unruhigen Lauf der Lagernadeln kommen kann.
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Die
DE 39 36 600 A1 zeigt ein Tripodegelenk mit in Achsrichtung der Rollenbahnen weisenden, flach ausgeführten Zapfenflächen. Dabei sind die in Umfangsrichtung des Gelenks weisenden Zapfenflächen nicht flach ausgeführt.
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Aus
GB 2 226 102 A ist ein Tripodegelenk mit Zapfen bekannt, die ebenfalls nur in Achsrichtung der Rollenbahnen weisende, ebene Zapfenflächen aufweisen. Hier sind die in Umfangsrichtung weisenden Flächen der Zapfen kugelig ausgeführt.
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Aus
US 5,348,512 A geht ein eckig geformter Zapfen hervor, wobei kein Rollenkörper mit Außenring, Innenring und dazwischen angeordneten Lagerkörpern vorgesehen ist. Es sind zylindrische Lagerkörper vorgesehen, die zwischen einem Innenring und den Zapfenflächen angeordnet sind.
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In
US 4,747,803 A wird ein Tripodegelenk vorgeschlagen, bei dem die Zapfen in Achsrichtung der Rollenbahnen flache Zapfenflächen aufweisen. Die in Umfangsrichtung orientierten Flächen des Zapfens sind zylindrisch oder kugelig ausgeformt.
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Die
JP 2002-235 768 A beschreibt ein Tripodegelenk, bei dem zwischen den Zapfen und den Rollenkörpern jeweils eine schwenkbare Zwischenhülse angeordnet ist. Die Steuerflächen des Zapfens verlaufen konisch. Weiter ist jede Steuerfläche des Zapfens zylindrisch geformt, wobei die Orientierung der Zylinderachse parallel zur Zapfenachse verläuft.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere ist ein Gelenk der genannten Art mit der Option einer belastungsorientierten Auslegung bereitzustellen. Weiterhin soll das Gelenk für große Beugewinkel zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil und insbesondere für die Anwendung zur Drehmomentübertragung in Kraftfahrzeugen geeignet sein.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Tripodegelenk gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie bevorzugte Verwendungen der Vorrichtungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Vorliegend werden die Aufgaben gelöst durch ein Tripodegelenk mit einem Gelenkaußenteil mit einer ersten Längsachse und einem längs verlaufenden Hohlraum mit einem offenen Ende, wobei in dem Gelenkaußenteil drei längs verlaufende Ausnehmungen ausgebildet sind, und einem Gelenkinnenteil mit einer zweiten Längsachse, umfassend zumindest einen Zentralkörper, an dem drei Zapfen angeformt sind mit sich radial von der zweiten Längsachse erstreckenden Zapfenachsen, wobei auf den Zapfen jeweils ein Rollenkörper angeordnet ist, der wenigstens einen Außenring, einen geschlossenen Innenring und dazwischen angeordnete Lagerkörper aufweist, und wobei weiter jeder Rollenkörper jeweils in den Ausnehmungen längsbeweglich aufgenommen und eine Rotation des geschlossenen Innenrings um den jeweiligen Zapfen blockiert ist.
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Die angeführten Rollenkörper sind bevorzugt im Wesentlichen so aufgebaut, wie das von Zylinderrollenlagern her bekannt ist, wobei die Form des Außenringes an die Form der Ausnehmung in dem Gelenkaußenteil, in dem der Rollenkörper sich im Wesentlichen axial bewegt, angepasst ist. Die Lagerkörper zwischen Außenring und Innenring des Rollenkörpers sind dabei zylindrisch bzw. nadelförmig geformt, so dass Kräfte bzw. Drehmomente vom Gelenkaußenteil auf das Gelenkinnenteil jeweils über einen Linienkontakt jedes einzelnen Lagerkörpers vom Innenring auf den Außenring des Rollenkörpers übertragen werden. Die Lauffläche des Außenringes wie auch die Lauffläche des Innenringes, auf denen die Lagerkörper abrollen, sind bevorzugt eben ausgeführt, so dass zwischen diesen Komponenten nur eine geringe Flächenpressung auftreten kann und ein Spiel im Wesentlichen vermieden wird.
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Die axiale Fixierung der Lagerkörper in dem Zwischenraum zwischen Außenring und Innenring des Rollenkörpers erfolgt zum Beispiel durch im Durchmesser flexible Sicherungsringe, die in vorgehaltene Nuten im Außenring und/oder Innenring montierbar sind, oder durch an den Außenring und/oder Innenring angeformte Kragen, durch die die Lagerkörper während des Zusammenbaus von Außenring und Innenring fixiert werden können.
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Der Innenring des Rollenkörpers ist gegenüber der
DE 100 32 065 A1 erfindungsgemäß geschlossen (und insbesondere einteilig) ausgeführt, so dass die Lagerkörper auf einer durchgehenden inneren Lauffläche abrollen können. Neben der reduzierten Belastung der Lagerkörper kann so auch eine reduzierte Teileanzahl für den Rollenkörper bzw. das Gelenk verwirklicht werden, womit der Montageaufwand und die Herstellungskosten reduziert werden.
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Der Innenring des Rollenkörpers selbst ist zudem auf dem jeweiligen Zapfen derartig angeordnet, dass eine Rotation des Innenrings um den Zapfen herum blockiert ist. Damit ist insbesondere eine Rotation um die Zapfenachse gemeint. Ein Verschieben des Innenrings und damit des Rollenkörpers auf dem Zapfen ist dabei nicht eingeschränkt, der Innenring ist also entlang der Zapfenachse auf dem Zapfen in beide Richtungen frei verschiebbar, und der Außenring des Rollenkörpers ist gegenüber dem geschlossenen Innenring frei verdrehbar. Insbesondere wird die Blockade der Rotation durch die einander gegenüberliegenden Zapfenaußenflächen und Innenflächen des Innenrings erzeugt, die in Rotationsrichtung um den Zapfen, also um die Zapfenachsen, wenigstens teilweise formschlüssig ausgeführt sind. Mit anderen Worten heißt das beispielsweise, dass die Zapfen auf ihrem Außenumfang und/oder die Innenringe auf ihrem Innenumfang Teilflächen aufweisen, die bei Rotation des Innenrings auf dem Zapfen Hinterschneidungen mit den gegenüberliegenden Teilflächen bilden. In besonderen Fällen kann der Rollenkörper auch mehrere geschlossene Innenringe aufweisen, welche z. B. scheibenartig ausgeführt sind und aneinander angrenzen. Die bevorzugte Ausführung ist jedoch (genau) ein geschlossener und einteiliger Innenring.
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Die Verhinderung einer (insbesondere freien bzw. unbegrenzten) Rotation des Innenrings gegenüber dem Zapfen führt mm dazu, dass für den Betrieb des Gelenkes definierte Bereiche des Zapfens und des Innenrings einander zugeordnet werden können bzw. nur diese stets miteinander zusammenwirken. Infolge der Blockade der Rotation des Innenrings gegenüber dem jeweiligen Zapfen ist somit eine anwendungs- und/oder belastungsorientierte Gestaltung des Innenrings hinsichtlich der Belastung durch Kraftübertragung möglich. Die korrespondierende Gestaltung kann dabei insbesondere Material, Beschichtung, Form sowie sonstige mechanische und/oder chemische Eigenschaften der Paarung Zapfen/Innenring betreffen. Insbesondere können somit Reibungsverluste, mangelnde Schmierung und somit Geräuschentwicklung und Lebensdauer gezielt positiv beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zapfen jeweils zwei gegenüberliegende Kraftübertragungsflächen haben und die Innenringe jeweils zwei gegenüberliegende Ringkraftaufnahmeflächen aufweisen, die den Kraftübertragungsflächen des Zapfens gegenüberliegend angeordnet sind, und zumindest die Kraftübertragungsflächen oder die Ringkraftaufnahmeflächen eben oder abgeflacht sind.
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Die Kraftübertragungsflächen des Zapfens sind hierbei die Flächen, über die die Hauptkraft während der Drehmomentübertragung des Tripodegelenkes übertragen wird. Diese Flächen sind also in Umfangsrichtung des Gelenkinnenteils auf den Zapfen angeordnet und übertragen die Drehmomente vom Gelenkaußenteil auf das Gelenkinnenteil bzw. umgekehrt.
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Die entsprechend ausgeführten Flächen auf dem Innenring des Rollenkörpers werden hier als Ringkraftaufnahmefläche bezeichnet. Abhängig von der Ausführungsform der Kraftübertragungsfläche bzw. der Ringkraftaufnahmefläche kann hier ein ein- oder mehr-Linien-Kontakt und/oder (bevorzugt) ein flächenförmiger Kontakt zwischen Kraftübertragungsfläche und Ringkraftaufnahmefläche gestaltet werden, so dass abhängig vom Belastungsfall eine angepasste Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden kann. Die hier definierten Möglichkeiten der Kontaktierung erlauben gegebenenfalls eine kostengünstige, lokale, Nachbearbeitung von Zapfen und/oder Innenring im Bereich dieser Kraftübertragungsfläche bzw. Ringkraftaufnahmefläche.
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Die Beschreibung „eben” und „flach” bezieht sich auf die Umfangsfläche des Zapfens bzw. des Innenrings, gesehen in Richtung der Zapfenachse.
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Eine „ebene” Gestaltung lässt sich insbesondere daran erkennen, dass in mehreren Querschnitten des Bauteils senkrecht zur Zapfenachse geradenförmige Umfangsabschnitte gebildet sind. „Abgeflacht” bedeutet dabei mit anderen Worten auch, dass der Querschnitt durch das Bauteil senkrecht zur Zapfenachse unrund ausgeführt ist, wobei der Umfangsbereich mit dem größeren Krümmungsradius dann die Kraftübertragungsflächen oder die Ringkraftaufnahmeflächen bildet. Davon unabhängig kann gegebenenfalls die Gestaltung des Umfangs von Kraftübertragungsflächen oder Ringkraftaufnahmeflächen senkrecht dazu ausgeführt sein, also der Verlauf in Richtung der Zapfenachse. Die Kraftübertragungsflächen (ebenso wie die Ringkraftaufnahmeflächen) machen jeweils dabei bevorzugt zumindest 10% des gesamten Umfangs aus, insbesondere zwischen 10% und 20%.
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Bei einer ebenen, also besonders flachen Kraftübertragungsfläche, also einer Fläche mit unendlichem Krümmungsradius (wobei selbstverständlich übliche Toleranzen zugelassen werden sollen), kann die Ringkraftaufnahmefläche nach einer Ausgestaltung der nachfolgenden Gruppe ausgebildet sein: eben, als abgeflachter Kegel oder als abgeflachte Pyramide, wobei die Erhebung gegenüber der ebenen Fläche jeweils konvex, also von der jeweiligen Fläche bzw. dem Körper weg bzw. nach außen weisend, ausgeführt ist.
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Bei einer flachen, nach außen gekrümmten Zapfenfläche, also konvexer Ausführung der Kraftübertragungsfläche, wobei die Krümmung nach Art eines abgeflachten Kegels und einer abgeflachten Pyramide ausgeführt sein kann, kann die Ringkraftaufnahmefläche eben, als abgeflachter Kegel oder als abgeflachte Pyramide ausgeführt sein. Die abgeflachten Ausführungen der Ringkraftaufnahmeflächen sind hierbei ebenfalls konvex, also von der Fläche bzw. dem Körper weg bzw. nach außen weisend, ausgeführt.
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Erfindungsgemäß weisen die Zapfen in Richtung der zweiten Längsachse gegenüberliegende Steuerflächen auf, die jeweils konvex sind. Die zweite Längsachse ist dabei insbesondere die Mittelachse des Zentralkörpers bzw. die Mittelachse der mit dem Zentralkörper verbundenen Welle, wenn sich die Zapfenachsen hierzu jeweils radial erstrecken. Dementsprechend sind die hier angeführten Steuerflächen der Zapfen die Flächen, die im Einsatzfall die axiale Verschiebung bzw. die axialen Kräfte zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil übertragen und somit den Rollenkörper innerhalb des Gelenkaußenteils entlang der Ausnehmungen verschieben. Die Steuerflächen weisen hier jeweils eine konvex geformte Fläche auf, die also vom Zapfen aus gesehen nach außen gekrümmt ist. Die konvexe Steuerfläche kann gemäß eines Kugelsegmentes oder gemäß eines Zylindersegmentes geformt sein, wobei die Orientierung des Zylindersegmentes derart ist, dass sie sich um eine Zylinderachse orientiert, die quer (also insbesondere senkrecht) zur Zapfenachse und quer (also insbesondere senkrecht) zur Mittelachse verläuft.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform des Tripodegelenkes haben die Zapfen jeweils Steuerflächen sowie Kraftübertragungsflächen und es ist zwischen den Steuerflächen und den Kraftübertragungsflächen jeweils eine Übergangsfläche vorgesehen, die die Steuerfläche und die Kraftübertragungsfläche miteinander verbindet, wobei die Übergangsfläche in Richtung der Zapfenachse wenigstens eine Fase aufweist, die die Übergangsfläche mit einer Zapfenabschlussfläche oder mit dem Zentralkörper verbindet.
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Die hier angeführte Übergangsfläche dient in Folge der blockierten Stellung des Innenrings gegenüber dem Zapfen nicht der Kraftübertragung zwischen Zapfen und Innenring des Tripodegelenkes. Daher ist die Übergangsfläche hier nahezu beliebig ausführbar, ohne dass sie jedoch bei Bewegung des Innenrings auf dem Zapfen die Bewegungsfreiheit des Innenringes einschränkt. Die Übergangsfläche kann sich je nach Ausführungsform vom Zapfenansatz an dem Zentralkörper bis zur Zapfenabschlussfläche erstrecken, wobei bevorzugt insbesondere am Übergang zur Zapfenabschlussfläche eine Fase ausgebildet ist, so dass eine Kollision der Übergangsfläche mit dem Innenring des Rollenkörpers während des Betriebes durch ein Verschränken des Innenringes gegenüber dem Zapfen vermieden wird. Die Fase kann sich dabei zum Beispiel ausgehend von der Zapfenabschlussfläche in Richtung des Zapfenansatzes über mindestens 10% der axialen Länge des Zapfens erstrecken, ggf. sogar über mehr als 20% oder sogar zumindest 35% der axialen Länge des Zapfens.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Tripodegelenkes weist der Innenring zwei Ringkraftaufnahmefläche und zwei Ringlaufflächen auf, wobei die Ringlaufflächen gegenüberliegend den Steuerflächen des Zapfens angeordnet und abgeflacht oder eben ausgebildet sind.
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Die Ringlaufflächen dienen wie die Steuerflächen des Zapfens in erster Linie nicht der Kraftübertragung innerhalb des Gelenkes, sondern steuern vielmehr die Rollenkörper entlang den Ausnehmungen im Gelenkaußenteil infolge der axialen Kräfte, die zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil übertragen werden, wobei diese axialen Kräfte im Vergleich zu den in Umfangsrichtung der jeweiligen Längsachse des Gelenkaußenteils oder des Gelenkinnenteils wirkenden Kräften gering sind.
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Auch die, die Ringkraftaufnahmefläche und die Ringlauffläche verbindenden, Verbindungsflächen des Innenringes sind nicht für eine Kontaktkraftübertragung auszulegen, sondern sind als Übergangsfläche unter Berücksichtigung der Bewegungsfreiheit des Innenringes auf dem Zapfen nahezu beliebig ausformbar. Die Ringlaufflächen des Innringes sind hierbei eben ausgeführt, also jeweils in Kombination mit z. B. einer kugeligen oder zylindrischen Steuerfläche des Zapfens mit einer Zylinderachse quer (insbesondere senkrecht) zu Zapfen- und Längsachse des Gelenkinnenteils – also formverschieden.
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Die Ringlaufflächen können auch eine konvexe Außenform aufweisen, die zylindersegmentartig ausgeführt ist mit einer Zylinderachse quer (insbesondere senkrecht) zu der Zapfenachse und der zweiten Längsachse des Gelenkinnenteils, wobei diese Ausführung der Ringlauffläche des Innenrings mit einer Steuerfläche des Zapfens, die ein konvexes Kugelsegment oder ein Zylindersegment aufweist, kombiniert werden kann.
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Infolge der geringen Kräfte, die in axialer Richtung des Tripodegelenkes übertragen werden, können Steuerflächen und Ringlaufflächen im Übrigen auch beliebig geformt sein, sollten dabei jedoch ein deutliches Spiel zueinander aufweisen, so dass es infolge einer Verschränkung bzw. Abbeugung der Rolleneinheit gegenüber dem Zapfen nicht zu einer Kollision der Flächen kommt. Dies wäre insbesondere bei einer besonders kostengünstigen Ausführungsform ein mögliches Einsparpotential.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Tripodegelenkes haben die Zapfen jeweils zwei gegenüberliegende Kraftübertragungsflächen und die Innenringe jeweils zwei gegenüberliegende Ringkraftaufnahmeflächen, die den Kraftübertragungsflächen des Zapfens gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Kraftübertragungsflächen und die Ringkraftaufnahmeflächen eben und weiter der Außenring des Rollenkörpers in der Ausnehmung verschwenkbar in Umfangsrichtung des Zentralkörpers ist.
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Durch diese Ausführungsform kommt es zwischen Zapfen und Innenring zu einem Flächenkontakt in der Hauptkraftübertragungsrichtung, so dass eine relativ geringe Flächenpressung erreicht wird. Der Innenring ist in diesem Fall weder rotierbar um die Zapfenachse noch ist er schwenkbar um eine Achse parallel zur zweiten Längsachse des Gelenkinnenteils. Der Innenring mit dem Rollenkörper ist auf dem Zapfen verschiebbar und um eine Achse schwenkbar, die quer/senkrecht zur Zapfenachse und quer/senkrecht zur zweiten Längsachse des Gelenkinnenteils verläuft.
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Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Winkelausgleich der Orbitalbewegung im Kontakt zwischen Außenring des Rollenkörpers und der Ausnehmung des Gelenkaußenteils, so dass der Außenring des Rollenkörpers in seinem Außenumfang zum Beispiel eine sphärische Außenkontur aufweist, so dass er um die Mittelachse der Ausnehmung des Gelenkaußenteils schwenkbar bzw. verschwenkbar in Umfangsrichtung des Zentralkörpers ist. Dabei ist die Ausnehmung im Gelenkaußenteil entsprechend geformt, so dass der Rollenkörper in Umfangsrichtung des Gelenkaußenteils nicht fixiert ist, sondern entsprechend der hervorgerufenen Orbitalbewegung in einem Bereich von 0 bis 5°, insbesondere von 0 bis 3° beidseits gegenüber der Bahnmittelachse der Ausnehmung verschwenkt werden kann. Diese Verschwenkung wird mit Orbitalwinkel bezeichnet. Die Bahnmittelachse ist hierbei die Achse jeder Ausnehmung im Gelenkaußenteil, entlang der sich die Rollenkörper infolge der Axialkräfte im Gelenkaußenteil bewegen können.
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Hierbei kann der Winkelausgleich der Orbitalbewegung auch zwischen Tripodezapfen und Innenring wenigstens teilweise erfolgen. Dazu müssen jedoch zumindest entweder die Kraftübertragungsflächen des Zapfens oder die Ringkraftaufnahmeflächen des Innenrings konvex gekrümmt ausgeführt sein. Die konvexe Form der jeweiligen Fläche beinhaltet, dass die Fläche gemäß eines Kugelsegmentes, eines Tonnensegmentes, oder eines Zylindersegmentes mit einer Zylinderachse in Achsrichtung des Zentralkörpers ausgeführt ist.
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Der Rollenkörper ist für die Verwendung in einem Tripodegelenk und insbesondere in einem erfindungsgemäßes Tripodegelenk geeignet, und wenigstens mit einem Außenring, einem geschlossenen Innenring und dazwischen angeordneten Lagerkörpern ausgeführt, wobei der Innenring einen unrunden Innenumfang aufweist. Der Innenumfang ist hier mit anderen Worten insbesondere die innerste Bauteillinie eines beliebigen Querschnitts, der quer/senkrecht zur Rotationsachse des Rollenkörpers gelegt wird.
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Der Innenumfang des Innenringes ist demnach nicht kreisrund, sondern z. B. elliptisch geformt und/oder weist unstetige Übergänge und/oder auch Vorsprünge, Kerben, punktuelle Erhebungen, Aussparungen oder Ähnliches auf, so dass ein Verdrehen gegenüber einem zur Aufnahme des Innringes vorgesehenen dornähnlichen Aufnahmekörper, insbesondere einem Zapfen eines erfindungsgemäßen Tripodegelenkes, beschränkt bzw. verhinderbar ist.
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Der hier angeführte Innenumfang beinhaltet in jedem Fall den Teil des Innenringes, der sich bei Verwendung des Innenringes, z. B. in einem Tripodegelenk, mit dem Dorn bzw. dem Zapfen im Eingriff befindet.
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Es wird auch ein Rollenkörper für ein Tripodegelenk vorgeschlagen, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Tripodegelenk, wobei der Rollenkörper wenigstens einen Außenring, einen geschlossenen Innenring und dazwischen angeordnete Lagerkörper hat, wobei der Innenring einen eckigen Innenumfang aufweist.
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Mit eckig ist hier gemeint, dass die Form des Innenumfangs nicht rund und auch nicht elliptisch, sondern bevorzugt einem Mehreck angenähert ist. Die Ecken des Innenumfangs können dabei verrundet sein. Die grundsätzliche Gestalt des Innenumfangs ist dabei jedoch nicht rund, sondern mehreckig, insbesondere weist der Innenring ein Vielfaches von 4 Ecken auf, also z. B. ist er viereckig, oder achteckig. Die Ecken begrenzen dabei insbesondere Funktionsflächen des Innenrings und erstrecken sich bevorzugt über die gesamte axiale Länge des Innenrings.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Rollenkörpers weist der Innenring verschiedenartige Funktionsflächen auf, die in jeweils gleicher Ausgestaltung gegenüberliegend angeordnet sind. Mit Funktionsflächen sind hier Flächen gemeint, die je nach Anwendungsfall spezifische Aufgaben erfüllen oder Belastungen ertragen müssen. Dabei sind die Funktionsflächen in jeweils gleichartiger Ausgestaltung, d. h. identischer Spezifikation und Ausführung, gegenüberliegend voneinander auf der Innenseite des Innenrings angeordnet, sind also Innenflächen des Innenrings. Auch die verschiedenen Zapfenaußenflächen eines Tripodegelenkes, insbesondere eines erfindungsgemäßen Tripodegelenkes, sind hier mit Funktionsflächen gemeint.
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Die Funktionsflächen können sich gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform auf die bereits definierten Kraftübertragungsflächen, Ringkraftaufnahmeflächen, Steuerflächen, Ringlaufflächen, Übergangsflächen, Verbindungsflächen und Fasen erstrecken, aber auch nur Teilbereiche dieser Flächen umfassen.
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Insbesondere sind die Ringkraftaufnahmeflächen, z. B. gegenüber einer hohen Flächenpressung, verstärkt ausgeführt bzw. mit einer besonderen Beschichtung oder Härtung versehen, so dass ein verbesserter Betrieb mit z. B. geringeren Schmierstoffmengen oder auch geringerer Reibung und damit geringerer Geräuschentwicklung möglich ist. Nicht bzw. weniger beanspruchte Bereiche des Innenrings können gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform auch elastischer als andere Bereiche ausgeführt sein, so dass Verformungen des Innenringes in dafür vorgesehenen Bereichen möglich sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Rollenkörpers weisen die Funktionsflächen jeweils unterschiedliche Flächengrößen auf. Das heißt, die besonders angepassten Teilbereiche des Innenringes bzw. des Zapfens erstrecken sich nicht über die komplette Fläche der Kraftübertragungsfläche, Ringkraftaufnahmefläche, Steuerfläche, Ringlauffläche, Verbindungsfläche, Übergangsfläche oder Fase sondern umfasst nur einen Teilbereich dieser Flächen. Darüber hinaus ist der Innenumfang bevorzugt nicht in gleichmäßige Abschnitte durch die verschiedenen Funktionsflächen unterteilt, wobei dies nicht zwingend erforderlich ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Rollenkörpers weisen Teilbereiche des Innenrings unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Dies kann insbesondere durch verschiedene Härtungsverfahren bzw. Härtegrade des Materials, durch die Materialzusammensetzung und/oder durch wenigstens eine Beschichtung erreicht werden. Auch diese Ausführungsform ist nicht beschränkt auf den Innenring, sondern kann gleichfalls für die einzelnen Zapfen vorgesehen werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Rollenkörper in einem Tripodegelenk und insbesondere in einem erfindungsgemäßen Tripodegelenk verwendet.
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Die hier aufgeführten Ausführungsformen von Tripodegelenken erlauben im Einsatzfall ein Abbeugen des Gelenkinnenteils gegenüber dem Gelenkaußenteil, also der zweiten Längsachse gegenüber der ersten Längsachse, bis hin zu mindestens 30°, insbesondere von bis zu 32° bzw. bis zu 36°. Diese Abbeugung wird als Beugewinkel bezeichnet.
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Des Weiteren wird hier auch ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Tripodegelenk beansprucht.
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Nachfolgend werden noch einige bevorzugte geometrische Größen und Relationen mit Bezug auf die Ausgestaltung eines solchen Tripodegelenkes angegeben, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, wobei die einzelnen Werte im Verhältnis zum Rollenkreisdurchmesser PCD (pitch circle diameter) angegeben sind, bis auf den Beugewinkel β (beta) und den Orbitalwinkel α (alpha), die jeweils absolut angegeben werden.
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Die in Bezug genommenen Geometrien ergeben sich auch aus den nachfolgenden Erläuterungen zu den
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22 sowie aus den Figuren selbst. Die angegebenen Werte stellen jeweils Unter- bzw. Obergrenzen der einzelnen geometrischen Größen bzw. Relationen dar:
| 0,5 ≤ PCD/D1 ≤ 0,7 | D1: Gelenkaußenkörperaußendurchmesser |
| 1,0 ≤ PCD/D2 ≤ 1,3 | D2: Weite der Führungsbahnen |
| 1,0 ≤ PCD/D3 ≤ 1,3 | D3: Rollenkörperaußendurchmesser |
| 1,5 ≤ PCD/D4 ≤ 2,0 | D4: Innenringaußendurchmesser |
| 2,0 ≤ PCD/D5 ≤ 2,7 | D5: Ringlaufflächenweite |
| 2,8 ≤ PCD/D6 ≤ 3,7 | D6: Rollenkörperbreite |
| 4,4 ≤ PCD/D7 ≤ 6,0 | D7: Innenringbreite |
| 1,1 ≤ PCD/D8 ≤ 1,4 | D8: Zentralkörperaußendurchmesser |
| 1,6 ≤ PCD/D9 ≤ 2,2 | D9: Zentralkörperinnendurchmesser |
| 2,2 ≤ PCD/D10 ≤ 3,0 | D10: Kraftübertragungsflächenweite |
| 2,0 ≤ PCD/D11 ≤ 2,7 | D11: Steuerflächenweite |
| 2,0 ≤ PCD/D12 ≤ 2,7 | D12: Zentralkörperbreite |
| 4,4 ≤ PCD/D13 ≤ 6,0 | D13: Innenringbreite |
| 2,2 ≤ PCD/D14 ≤ 3,0 | D14: Ringkraftaufnahmeflächenweite |
| 1,6 ≤ PCD/D15 ≤ 2,2 | D15: Wellendurchmesser |
| 0,4 ≤ PCD/D16 ≤ 12 | D16: Ringkraftaufnahmeflächenradius |
| 0° ≤ α (alpha) ≤ 5° | Orbitalwinkel |
| 0° ≤ β (beta) ≤ 36° | Beugewinkel |
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen (schematisch):
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1: eine Seitenansicht eines Querschnittes eines Tripodegelenkes;
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2: eine Aufsicht eines Tripodegelenkes entlang der ersten Längsachse;
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3: eine perspektivische Darstellung eines Zentralkörpers eines Tripodegelenkes, mit zusätzlich explosionsartig dargestelltem Innenring;
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4, 5, 6: die Ansicht eines Zentralkörpers entlang der zweiten Längsachse mit Seitenansichten;
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7: eine perspektivische Darstellung eines Zentralkörpers;
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8, 9, 10: eine Aufsicht eines Innenringes mit Seitenansichten;
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11: eine weitere Aufsicht eines Tripodegelenkes entlang der ersten Längsachse;
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12: eine Aufsicht eines gebeugten Tripodegelenkes und Verkippung der Zapfen im Innenring;
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13: eine Ansicht eines Zentralkörpers entlang der zweiten Längsachse ohne Verkippen um Orbitalwinkel;
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14: eine Ansicht eines Zentralkörpers entlang der zweiten Längsachse mit Verkippen um Orbitalwinkel und Ausschnitt I;
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15, 16: ein vergrößerter Ausschnitt I nach 14 mit Detailansicht;
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17: eine Aufsicht eines Tripodegelenkes entlang der ersten Längsachse; und
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18: eine Seitenansicht eines Zentralkörpers mit Rollenkörper.
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In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tripodegelenkes 1 in einem Kraftfahrzeug 30 dargestellt, wobei das Gelenkaußenteil 2 eine erste Längsachse 3 aufweist und ein offenes Ende 5, durch das sich ein Gelenkinnenteil 7 mit einem Zentralkörper 9 und einer mit diesem Zentralkörper 9 verbundenen Welle 32 in den Hohlraum 4 des Gelenkaußenteils 2 hinein erstreckt. Die Welle 32 mit einem Wellendurchmesser D15 und der Zentralkörper 9 weisen dabei eine gemeinsame zweite Längsachse 8 auf. An den Zentralkörper 9 sind drei Zapfen 10 angeformt, die entlang von Zapfenachsen 11 angeordnet sind, die sich von der zweiten Längsachse 8 aus radial erstrecken. Auf den Zapfen 10 sind Rollenkörper 12 derart angeordnet, dass eine Verschränkung bzw. Abbeugung des Gelenkinnenteils 7 mit der zweiten Längsachse 8 gegenüber dem Gelenkaußenteil 2 mit der ersten Längsachse 3 um einen Beugewinkel beta (β) ermöglicht wird. Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist eine solche Abbeugung mit einem Beugewinkel beta (β) von bis zu 36° möglich.
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2 zeigt ein Gelenkaußenteil 2 mit radialen Ausnehmungen 6, innerhalb derer sich Rollenkörper 12 axial in Richtung der ersten Längsachse 3 bewegen. Das Gelenkinnenteil 7 wird durch die Rollenkörper 12 innerhalb des Gelenkaußenteils 2 in der axialen Richtung entlang der ersten Längsachse 3 geführt. Die Rollenkörper 12 weisen jeweils zumindest einen Außenring 13, einen Innenring 14 und zwischen diesen angeordnete Lagerkörper 15 auf.
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Der Innenring 14 weist eine runde Außenform auf und ist wie in 3 gezeigt gemäß einer besonderen Ausführungsform auf seinem Innenumfang 27 eckig ausgeführt. Dabei sind die Flächen Ringkraftaufnahmefläche 17, Ringlauffläche 24 und Verbindungsfläche 25 jeweils aneinander gegenüberliegend auf der Innenseite des Innenringes 14 ausgeformt. Der Innenring 14 wird derart auf den jeweiligen Zapfen 10 des Zentralkörpers 9 angeordnet, dass die Ringkraftaufnahmeflächen 17 gegenüber den Kraftübertragungsflächen 16 des Zapfens 10 angeordnet sind, so dass auch die Ringlaufflächen 24 gegenüber den Steuerflächen 19 des Zapfens 10 angeordnet sind. Die Hauptkraftübertragung im Einsatzfall des Tripodegelenkes 1 erfolgt dabei über die Ringkraftaufnahmefläche 17 und die Kraftübertragungsfläche 16, d. h. in Umfangsrichtung des Zentralkörpers 9.
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Die Zapfen 10, die an dem Zentralkörper 9 angeformt sind, weisen neben den Kraftübertragungsflächen 16 und den Steuerflächen 19 weiterhin Übergangsflächen 21 und Fasen 22 auf, wobei die Fase 22 die Übergangsfläche 21 mit der Zapfenabschlussfläche 23 verbindet.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Innenringes 14 kann dieser auf dem Innenringaußenumfang 33 abgeflacht ausgeführt sein, so dass der Innenringaußenumfang 33 des Innenrings 14 in einem Querschnitt quer zur Zapfenachse 11 eine elliptische Form annimmt, wobei die größten Radien dabei den Ringkraftaufnahmeflächen 17 gegenüberliegend angeordnet sind, so dass eine möglichst geringe Flächenpressung zwischen Lagerkörpern 15 und Innenring 14 bzw. Innenringaußenumfang 33 erzeugt wird.
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4 bis 6 zeigen in einzelnen Ansichten einen Zentralkörper 9 mit sich radial von der zweiten Längsachse 8 erstreckenden Zapfenachsen 11, in einer Aufsicht (4) und in Seitenansichten (5 und 6). In Richtung der zweiten Längsachse 8 weisen die Zapfen 10 Steuerflächen 19 auf, die, wie in den Seitenansichten zu erkennen ist, hier kugelartig ausgeführt sind. Dabei ist am Übergang des Zapfens 10 zum Zentralkörper 9 im Bereich der Steuerflächen 19 und der Übergangsflächen 21 der Freistich 34 (5) ausgeformt, so dass bei einer starken Abbeugung des Gelenkinnenteils 7 gegenüber dem Gelenkaußenteil 2 eine Kollision von Innenring 14 mit dem Zentralkörper 9 vermieden wird. Dementsprechend sind auch die Fasen 22 des Zapfens 10 ausgeführt, so dass eine Kollision von Zapfen 10 mit Innenring 14 bei großen Beugewinkeln vermieden wird.
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Die Kraftübertragungsflächen 16 sind gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hier eben ausgeführt.
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Die Verbindung zwischen Zentralkörper 9 und Welle 32 wird wie in 7 gezeigt z. B. über eine Keilverzahnung 31 erreicht, die sowohl auf der Welle 32 (hier nicht gezeigt, siehe aber 1 und 2) als auch im Zentralkörper 9 ausgeführt ist.
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Der Innenring 14 wird in 8 bis 10 nochmals in einer Aufsicht (8) und in seinen Seitenansichten (9, 10) dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Funktionsflächen 28, hier also die Ringkraftaufnahmefläche 17, die Ringlauffläche 24 und die Verbindungsflächen 25 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Innenumfang 27 des Innenringes 14 ist hier eckig ausgeführt.
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Wie bereits beschrieben, kann der Innenringaußenumfang 33 auch leicht elliptisch ausgeführt sein (hier angedeutet in 8 mit gestrichelter Linie in nicht maßgetreuer Darstellung), da durch die nicht rotationssymmetrische Innenkontur des Innenringes 14 die Position des Innenringes 14 auf dem Zapfen 10 vorgegeben ist und damit die Richtung der Krafteinleitung vom Gelenkinnenteil 7 auf das Gelenkaußenteil 2 über die Kraftübertragungsflächen 16 bzw. Ringkraftaufnahmeflächen 17 des Zapfens 10 bzw. des Innenrings 14 vorgegeben ist. Infolge der elliptischen Ausführung des Innenringaußenumfangs 33 ist durch die Positionierung des Bereiches des Innenringes 14 mit dem größten Radius im Innenringaußenumfang 33 in Umfangsrichtung des Zentralkörpers 9, also gegenüberliegend zu den Ringkraftaufnahmeflächen 17, eine möglichst geringe Flächenpressung zwischen Innenringaußenumfang 33 und Lagerkörpern 15 erreichbar. Die Last wird auf eine größer Anzahl von Lagerkörpern 15 verteilt, dies führt zu einer gleichmäßigeren Lastverteilung auf die Lagerkörper 15, wodurch die Lebensdauer der Lagerkörper 15 erhöht wird und gegebenenfalls auch die einzelnen nun weniger beanspruchten Komponenten kleiner ausgeführt werden können, so dass die gesamte Baueinheit kompakter ausführbar ist.
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11 und 12 zeigen ein Gelenkaußenteil 2 mit radialen Ausnehmungen 6, innerhalb derer sich Rollenkörper 12 axial in Richtung der ersten Längsachse 3 bewegen. Dabei sind die Außenringe 13 der Rollenkörper 12 derart geformt, dass eine Kippbewegung innerhalb der Ausnehmungen 6 um einen Orbitalwinkel alpha (α) hier nicht möglich ist. Diese Kippbewegung infolge der Abbeugung des Gelenkinnenteils 7 gegenüber der ersten Längsachse 3 um einen Beugewinkel beta (β) wird bei dieser Variante nur zwischen Zapfen 10 und Innenring 14 ermöglicht.
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Diese Kippbewegung um den Orbitalwinkel alpha (α) kann nur dann zwischen Innenring 14 und Zapfen 10 erfolgen, wenn, wie in 13 bis 16 dargestellt, wenigstens die Ringkraftaufnahmeflächen 17 des Innenrings 14 mit einem Ringkraftaufnahmeflächenradius D16 konvex gekrümmt ausgeführt sind bzw. wenn die Kraftübertragungsflächen 16 des Zapfens 10 eben ausgeführt sind. Gleichzeitig oder anstatt der Ringkraftaufnahmeflächen 14 können auch die Kraftübertragungsflächen 16 des Zapfens 10 konvex gekrümmt ausgeführt sein. Die konvexe Form der jeweiligen Fläche beinhaltet, dass die Fläche gemäß eines Kugelsegmentes, eines Tonnensegmentes, oder eines Zylindersegmentes mit einer Zylinderachse in Richtung der zweiten Längsachse 8 des Zentralkörpers 9 ausgeführt ist.
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15 zeigt den vergrößerten Ausschnitt I aus der 14, wobei deutlich die Fixierung der Lagerkörper 15 und des Innenrings 14 in dem Außenring 13 durch einen ersten Sicherungsring 28 und einen zweiten Sicherungsring 29 zu erkennen ist.
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In den 17 bis 22 sind die weiteren geometrischen Größen eines erfindungsgemäßen Tripodegelenkes 1 noch einmal aufgeführt. Dabei bezeichnet in 17 D1 den Gelenkaußenkörper-Außendurchmesser, D2 die Weite der Führungsbahnen 20 innerhalb der Ausnehmungen 6 des Gelenkaußenteils 2 und PCD den Rollkreisdurchmesser 26, der den Durchmesser angibt, auf dem die Rollenkörpermittelpunkte 18 angeordnet sind. In 18 sind die geometrischen Größen des Rollenkörpers 12 angegeben, wobei D3 den Rollenkörperaußendurchmesser angibt, D4 den Innenringaußendurchmesser, D5 die Ringlaufflächenweite, D6 die Rollenkörperbreite und D7 die Innenringbreite. 19 zeigt den Zentralkörperaußendurchmesser D8, den Zentralkörperinnendurchmesser D9 und die Kraftübertragungsflächenweite D10. 20 verdeutlicht die Steuerflächenweite D11 der Zapfen 10 und die Zentralkörperbreite D12. 21 und 22 zeigen die Innenringbreite D13, den Innenringaußendurchmesser D4, die Ringlaufflächenweite D5 und die Ringkraftaufnahmeflächenweite D14.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tripodegelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- erste Längsachse
- 4
- Hohlraum
- 5
- Ende
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Gelenkinnenteil
- 8
- zweite Längsachse
- 9
- Zentralkörper
- 10
- Zapfen
- 11
- Zapfenachse
- 12
- Rollenkörper
- 13
- Außenring
- 14
- Innenring
- 15
- Lagerkörper
- 16
- Kraftübertragungsfläche
- 17
- Ringkraftaufnahmefläche
- 18
- Rollenkörpermittelpunkt
- 19
- Steuerfläche
- 20
- Führungsbahn
- 21
- Übergangsfläche
- 22
- Fase
- 23
- Zapfenabschlussfläche
- 24
- Ringlauffläche
- 25
- Verbindungsfläche
- 26
- Rollkreisdurchmesser PCD
- 27
- Innenumfang
- 28
- erster Sicherungsring
- 29
- zweiter Sicherungsring
- 30
- Kraftfahrzeug
- 31
- Keilverzahnung
- 32
- Welle
- 33
- Innenringaußenumfang
- 34
- Freistich
- α
- Orbitalwinkel
- β
- Beugewinkel
