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Doppelkardangelenk mit Zentriervorriebtun-C Die Erfindung betrifft
ein Doppelkardangelenk für die Antriebsverbindung zweier Wellen mit einer Zentriereinrichtung,
bei der miteinander in Eingriff tretende Führungsteile auf den Enden der Wellen
vorgesehen und die Oberflächen der Führungsteile im möglichen Eingriffsbereich als
Rotationsflächen geformt sind.
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Bei bekannten Doppelkardangelenken ist der eine Führungsteil als Kugel
ausgebildet und greift in eine den zweiten Führungsteil bildende, die Kugel umschließende
Pfanne ein. Dabei ist einer der beiden Führungsteile an der entsprechenden Welle
gleitbar gelagert, da sich bei einer Winkelverstellung der Wellen der Abstand der
Wellenenden ändert. Es ist auch bekannt, den einen Führungsteil als Kugel und die
Innenfläche des die Kugel aufnehmenden, zweiten Führungsteils als Teil eines geraden
Kreiskegels oder Zylinders auszubilden.
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Die gegeneinander verschiebbaren Teile dieser bekannten Doppelkardangelenke
sind jedoch einem hohen Verschleiß ausgesetzt und erfordern somit einen hohen Aufwand
an Wartung und Schmierung und führen häufig zu unerwünschter Geräuschbildung. Um
einen Gleichlauf zwischen den beiden Teilen, d. h. an der Abtriebswelle den
gleichen zeitlichen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit wie an der Antriebswelle zu
erhalten, muß in jederWinkelstellung der beiden Wellen der Schnittpunkt der Wellenendenachsen
in der Symmetrieebene zwischen den Mittelpunkten der beiden Kreuzgelenke liegen.
Bei den bekannten Gelenken ist dies jedoch nur in einer bestimmten Winkellage der
zu kuppelnden Wellenenden gewährleistet.
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Um ein Doppelkardangelenk mit einem einwandfreien Gleichlauf in allen
möglichen Winkellagen der beiden Wellenenden bei geringem Wartungsaufwand zu erhalten,
soll nach einem älteren Vorschlag bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art
der Führungsteil des einen Wellenendes als Pilz und der Führungsteil des anderen
Wellenendes als Ringwulst ausgebildet sein, wobei die Oberflächen der beiden Führungsteile
in ihrem möglichen Eingriffsbereich in jedem Axialschnitt Zahnflankenprofile aufweisen,
die Teile von Zahnrädern mit gleichen Teilkreisdurchmessern sind, deren Mittelpunkt
die Mittelpunkte der beiderseitigen Kreuzgelenke sind.
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Dadurch wird erreicht, daß bei einer relativen Winkelbewegung der
beiden Wellenenden innerhalb cines erwünschten Bereichs die Rotationsflächen ohne
wesentliche gegenseitige Axialbewegung miteinander im Eingriff bleiben und eine
im wesentlichen gleichmäßige ÜbertragungderWinkelgeschwindigkeiterfolgt. Auch der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Doppelkardangelenk mit einem einwandfreien
Gleichlauf über den gesamten Verstellbereich der beiden Wellen bei einem minimalen
Verschleiß der beiden Führungsteile zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Doppelkardangelenk
für die Antriebsverbindung zweier Wellen mit einer Zentriereinrichtung, bei der
miteinander in Eingriff tretende Führungsteile auf den Enden der Wellen vorgesehen
und die Oberflächen der Führungsteile im möglichen Eingriffsbereich derart als Rotationsflächen
geformt sind, daß bei einer relativen Winkelbewegung der beiden Wellenenden innerhalb
eines erwünschten Bereichs die Rotationsflächen ohne wesentliche gegenseitige Axialbewegung
miteinander im Eingriff bleiben und eine im wesentlichen gleichförmige Übertragung
der Winkelgeschwindigkeit erfolgt.
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Die Aufgabe wird dabei erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotationsfläche
des einen Führungsteils ein Teil eines geraden Kreiskegels ist.
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Durch diese Ausbildung wird ebenfalls, jedoch in einfacherer Weise
als nach dem älteren Vorschlag, erreicht, daß bei jeder Winkellage der beiden Wellen
der Schnittpunkt der Achsen der beiden Wellenenden stets in der Symmetrieebene des
Doppelkardangelenks liegt, wodurch an der Antriebswelle stets der gleiche zeitliche
Verlauf der Winkelgeschwindigkeit wie an derAntriebswellegewährleistetist. Daimwesentlichen
keine gegenseitigeAxialbewegung der beiden Führungsteile auftritt, wird der bei
axialbeweglicher Lagerung
zumindest des einen Führungsteils auftretende
Verschleiß grundsätzlich vermieden.
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Die Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. F i g. 1 ist eine Ansicht eines Doppelkardangelenks mit teilweise
fortgebrochenen Teilen, F i g. 2 ist ein vergrößerter Schnitt und zeigt im
einzelnen eine Zentriereinrichtung einschließlich der Eingriffsflächen der Führungsteile;
F i g. 3 ist ein Querschnitt durch die Zentriereinrichtung in ihrer äußersten
Winkelstellung; F i g. 4 ist ein Querschnitt -und zeigt die Zentriereinrichtung
in ihrer äußersten Winkelstellung, wobei ihr ein Koordinatensystem zugeordnet ist,
welches zur Bestimmung der Oberflächen der Führungsteile verwendet wird; F i
g. 5 ist eine Darstellung ähnlich der F i g. 4, zeigt jedoch
die Zentriereinrichtung in ihrer neutralen Lage; F i g. 6 ist ein Querschnitt
durch das als Teil eines geraden Kreiskegels ausgebildete Führungsteil.
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In der F i g. 1 sind zwei Kreuzgelenke 10 und
11
gezeigt, die mittels eines Übertragungsringes 12 und einer Zentriereinrichtung
13 wirksam miteinander verbunden sind.
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Das Kreuzgelenk 10 besteht aus einem Joch 14, welches mittels
Bolzen 15 mit einer Welle 16 zur Übertragung' desDrehmomentesverbundenist.
DasJoch14 nimmt ein Kreuz17 auf, welches sich in entgegen-- ge setzten Richtungen
erstreckende Zapfen 18 und 19 besitzt, die in einem Lager angeordnet sind. Dieses
Lager ist auf den Armen 21 bzw. 22 des Joches vorgesehen. Das Kreuz enk
11 besteht aus einem gel Joch 23, welches mittels Bolzen 24 mit einer
Welle 25
zur Übertragung des Drehmomentes verbunden ist. Das Gelenk
11 enthält außerdem ein Kreuz 26 und Zapfen 27 und
28, die in Armen 30 bzw. 31 des Joches 23 angeordnet
sind.
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Das Kreuz 17 ist auch mit zwei Zapfen 32 versehen, welche
in zwei Angüssen 33 des Übertragungsringes 12 gelag ,ert sind. Das Kreuz
26 ist ebenfalls mit zwei Zapfen 34 versehen, die in zwei Angüssen 35 auf
der gegenüberliegenden Seite des Gbertragungsringes 12 gelagert sind.
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Zwischen den Jochen 14 und 23 ist eine Zentriereinrichtung
13 vorgesehen (F i g. 3). Eine an dem Joch 14 befindliche Brücke
36 verbindet die Arme 21 und 22 und ist mit einem darauf gebildeten Zentrierballen
37 versehen. Eine am Joch 23 befindliche Brücke 38 verbindet
die Arme 30 und 31 und ist mit einem darauf gebildeten Schalenteil
40 versehen. Der Schalenteil 40, welcher in der F i g. 4 vergrößert Clezeigt
ist, ist mit einer zylindrischen Bohrung 41 zur gleitenden Aufnahme des Führung
teils 42 zum Aus-'s gleich der Abnutzung versehen. Das Führungsteil 42 weist eine
Außenfläche 42a auf, die mit Gleitsitz in der Bohrung 41 sitzt. Das Führungsteil
42 weist eine innere Oberfläche 42b auf. Das Führungsteil 42 wird von einer Feder
43 statisch in seiner axialen Lage gehalten, deren eine Seite gegen das Führungsteil
anliegt und deren andere Seite auf dem Boden der Bohrung 41 aufsitzt. Das Führungsteil
42 wird durch seinen Gleitsitz in der Bohrung 41 radial in seiner Lage gehalten.
An den Brücken 36 und 38 ist ein biegsamer Verschluß 45 befestigt,
um innerhalb der Zentriereinrichtung 13 ein Schmiermittel zurückzuhalten.
Der Verschluß 45 ist aus Gummi oder gummiähnlichem Material hergestellt. Die Zentriereinrichtung
13 ist so beschaffen, daß eine Winkelverstellung der einen Welle
16 bzw. 25
gegenüber dem Übertragungsring 12 eine gleich große, jedoch
entgegengesetzt gerichtete Winkelverstellung der anderen Welle 25 bzw.
16 bewirkt. Dies ist erforderlich, um einen Gleichlauf zwischen den Wellen
zu erhalten.
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Im Betrieb übt der Zentrierballen 37 eine Kraft in Richtung
auf das Führungsteil 42 aus, welche von einer durch die Feder 43 über den Führungsteil
42 und gegen den Zentrierballen 37 ausgeübte Kraft ausgeglichen wird. Die
Feder zwingt daher den Zentrierballen 37
und das Führungsteil 42 dazu, ständig
miteinander in Berührung zu sein.
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Um die Abnutzung zwischen dem Führungsteil 42 und den in dem Joch
gebildeten Ausnehmungen zu vermindern, ist es erforderlich, daß die Axialbewegung
des Führungsteils42 innerhalb der Bohrung41 im wesentlichen vermieden wird.
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Die obigen Erfordernisse der gleichmäßigen Winkelbeziehung zwischen
den Wellen 16 und 25 und die Ausschaltung der Axialverschiebung der
Schale innerhalb der Bohrung bei jedem Betriebswinkel werden durch die richtige
Ausbildung des Zentrierballens in ihren Außenlinien mit Bezug auf die Innenfläche
42b des Führungsteils 42 erfüllt.
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Theoretisch ist es nicht von Bedeutung, ob die Form des Führungsteils
42 gewählt und die Form des Zentrierballens 37 darauf abgestimmt wird, oder
umgekehrt, bei der Herstellung ist es jedoch vorzuziehen, zunächst eine Form für
die Innenfläche 42b des Führungsteils 42 zu wählen. Der Einfachheit halber ist es
darüber hinaus zu bevorzugen, diese in Form eines Kegelstumpfes auszubilden, und
es ist wünschenswert, den Scheitelwinkel gleich dem maximalen Bereich des Arbeitswinkels
zuwählen. Sodann kann die gewünschte Außenform desjenigen Teiles des Zentrierballens
bestimmt werden, welcher während des maximalen Verstellbereichs der beiden Wellen
in Berührung mit dem Führungsteil 42 steht. Die Gestaltung des Zentrierballens mit
Umrißlinien für Welleneinstellungen, die über den maximalen Verstellbereich hinausgehen,
würde die Arbeitsweise nicht beeinträchtigen, jedoch im allgemeinen unnötige Herstellungskosten
verursachen.
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Um den Betrieb der beiden Führungsteite näher zu erläutern, sind über
den F i g. 4 und 5 kartesische Koordinaten angeordnet. In der F i
g. 4 bewegt sich das Koordinatensystern x', y' mit dem Koordinatennullpunkt
0' mit dem Zentrierballen 37, wenn dieser sich um den festen Punkt
B dreht. In derselben Weise bewegt sich das Koordinatensystem x", y" mit
dem Koordinatennullpunkt 0" mit dem Führungsteil 42, wenn sich dieses um
einen festen Punkt A dreht. In der neutralen Lage, die in der F i
g. 5 gezeigt ist, fallen die Punkte 0' und 0" mit dem Punkt
0 zusammen, welcher sich auf einer Linie befindet, die in der Mitte zwischen
den Punkten A und B gezogen ist, und die beiden Koordinatensysteme fallen
mit dem feststehenden Koordinatensystern x, y zusammen. In dieser
neutralen Lage ist die Berührung zwischen den Oberflächen 37a und 42b ein vollkommener,
kreisförmiger Ring und ist in der F i g. 5 durch die Punkte
C und D angedeutet. Bei einer anderen als in der F i g. 5
gezeigten neutralen Lage wird theoretisch nur an zwei Punkten eine Berührung hergestellt,
die als C und D' gezeigt sind (F i g. 4). Die Winkelverschiebungen
des Zentrierballens und des Führungsteils
42 gegenüber der Geraden
AB haben den gleichen Betrag, jedoch entgegengesetzte Richtung. Dieses ist für eine
gleichmäßige Übertragung der Drehzahl zwischen den Wellen 16 und
25 erforderlich.
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Ein Verfahren zur Ermittlung der erforderlichen Umrißform des Zentrierballens
bei einem gegebenen kegelstumpfförmigen Umriß des Führungsteils 42 unter den Bedingungen,
daß a) die Übertragung mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit erfolgt und
b) keine Axialverschiebung des Führungsteils 42 auftritt, wird im folgenden
erläutert: Gegeben ist die lineare Gleichung der Geraden Z (F i g. 4), die
durch Rotation um die x"-Achse die Oberfläche 42b erzeugt. Im x"-y"-Koordinatensystem
lautet diese Gleichung y" = r + (L - x")
tan 0, (1)
Diese Gleichung kann aus F i g. 4 wie folgt abgeleitet werden.
Man betrachte einen beliebig gewählten Punkt auf der Geraden Z, beispielsweise den
Punkt F. Da r den y"-Wert dieser Gleichung am Mittelpunkt A
der Winkelbewegung
des Führungsteils 42 darstellt und L der x"-Wert dieses Punktes ist, folgt r = y"
(L).
Durch Betrachtung des Dreiecks D F E in F
i g 4 ist. leicht ersichtlich, daß der y"-Wert des gewählten Punktes F um
den Betrae, C
(L - x") - tan 0,
größer als r ist,
woraus sich Formel (1) ergibt. Gesucht wird die Funktion Y, = f(x') (2) die
durch Rotation um die x'-Achse die Oberfläche 37a des Zentrierballens
37 erzeugt, und zwar derart, daß die Gerade (1) und die Kurve (2)
bei jeder Winkellage der zu kuppelnden Wellenenden einen gemeinsamen Berührpunkt
haben.
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Die unbekannte Funktion y' = f(x') kann innerhalb des gewünschten
Bereichs mit beliebiger Genauigkeit durch das Polynom
ausgedrückt werden.
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Für den üblichen Verstellbereich reichen fünf Terme der Reihe aus,
um die Kurve mit der erforderlichen Genauigkeit auszudrücken. Es ist dann m
= 4, und die Näherungsfunktion lautet:
Die Lösung ist gefunden, wenn für die Koeffizienten Ao, A, A2 ... A.
numerische Werte gefunden worden sind. Dazu müssen fünf Gleichungen zur Verfügung
stehen, und dies kann durch das folgende Verfahren erreicht werden: 1. Wähle
so viele verschiedene 0-Werte innerhalb des Wellen-Verstellbereichs, wie Koeffizienten
Ao# A, ... A. bestimmt werden müssen. Für die Näherungsgleichung (4)
müssen daher fünf verschiedene 0-Werte gewählt werden.
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2. Schätze für jeden 0-Wert den Berührungspunkt auf dem Führungsteil
42, d. h. wähle Wertpaare x" und y" gemäß der Gleichung (1).
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3. Berechne x', y' und
aus den Gleichungen x' # Y" cos 2 0 + Y" sin 2 0
- L (1 + cos 2 0 - 2 cos 0),
(5)
y' = y" cos 2 0 - x" sin 2 0 +
L (sin 2 0 - 2 sin 0), (6)
4. Schreibe Gleichung (3) für jede 0-Lage unter Verwendung des eben errechneten
x', y' und löse den entstehenden Satz linearer Gleichungen für die
Koeffizienten A., A, ... A"n.
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5. Berechne für jedes gewählte 0 den Ausdruck
6. Bilde die Summe
7. Schätze erneut einen Berührpunkt für einen 0-Wert und wiederhole alle
Berechnungen (5) bis (9), wobei in der Gleichung (9) ein neuer
Wert S
erhalten wird.
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8. Führe neue Schätzungen für jede 0-Lage in systematischer
Weise durch, mit dem Ziel, die Summe S so klein wie möglich zu halten. Je
kleiner die Summe S ist, desto genauer ist die Lösung.
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C
Die endgültigen Werte für die Koeffizienten A" ergeben
beim Einsetzen in die Gleichung (3) die gesuchte Kurve y' = f(x'),
die die genaue Umrißlinie der Oberfläche 37a des Zentrierballens 37 bestimmt.
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Als Rechenbeispiel sei gegeben: r = 0,158,
L
= 1,40625, Oe = 11'.
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Bei Annahme von -ll', -5,5', 0', 5,5', 11' für die fünf
(9-Werte betrug die Lösung für die fünf A-Werte: A, = 0,301966
A,
= -0,01121, A2 = -1,983030,
A, = 4,711073,
A, =
-9,939790.
Dabei ergaben sich für die einzelnen 0-Werte folgende
Punkte auf der Kurve (2): 0 # -11" x' = -0,062,
y' #
0,419. 0 = -5,5' x' = -0,0041 y' # 0,424.
0= 00 x' = 0,077,
y' = 0,416.
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5,5c' x' = 0,200, y' = 0,380.
11'
x' = 0,320,
y' = 0,318.
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Aus der Beschreibung in Verbindung mit der Erläuterung durch die Zeichnungen
geht hervor, daß eine Zentriereinrichtung für ein Kreuzgelenk geschaffen worden
ist, in welchem im wesentlichen keine Axialverschiebung der Führungsteile stattfindet.
In der F i g. 2 ist die Berührungsfläche oder Abnutzungsfläche auf dem Führungsteil
42 durch die Linie g-h und die Berührungsfläche oder Abnutzungsfläche auf dem Zentrierballen
37 schraffiert gezeigt. Diese Berührungsflächen beziehen sich auf Betriebsbedingungen
bei voller Auslastung der Zentriereinrichtung, wobei sie dieWinkelbeziehung zwischen
O'und dem Maximum (in der bevorzugten Ausführungsform 22) durch Umdrehung verändert.
Es findet auf der Oberfläche 42a des Führungsteils 42 oder auf der Oberfläche der
Bohrung 41 keine Abnutzung statt.