DE19519772A1 - Gleichlaufgelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein homokinetisches Gelenk oder Gleichlaufgelenk, das als Gelenk für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.

Wenn ein Gelenk des Nicht-Gleichgeschwindigkeits-Typs als solch ein Gelenk verwendet wird, neigt das durch das Gelenk übertragene Moment dazu, ziemlich wild zu schwanken, insbe­ sondere bei großem Arbeitswinkel. Um dieses Problem zu lösen, nimmt die Verwendung von Gleichlaufgelenken, welche Schwan­ kungen des übertragenen Momentes innerhalb eines weiten Be­ reichs des Arbeitswinkel reduzieren können, derzeit rasch zu.

Ein Gleichlauf-Universalgelenk für eine Lenkwelle weist, wie in Fig. 1 gezeigt, einen inneren Ring 1 und einen äußeren Ring 2 auf, die beide mit einer Mehrzahl axialer Kugellauf­ rillen 3 bzw. 4 versehen sind, derart, daß sie einander ge­ genüberliegen. Ein Käfig 5 ist zwischen dem inneren Ring 1 und den äußeren Ring 2 angebracht. Dieser weist eine Mehrzahl von Hohlräumen (pockets) oder Kugelfenstern 6 auf, die je eine Kugel 7 fassen, welche in den Laufrillen 3 und 4 aufge­ nommen wird.

Die Laufrillen 3 und 4 des inneren Ringes 1 und des äußeren Ringes 2 weisen bogenförmig gekrümmte axiale Abschnitte auf mit Krümmungszentren 02 bzw. 03, die gegen das Zentrum 01 des Käfigs axial nach entgegengesetzten Seiten versetzt sind (Fig. 1). Ein Moment wird von dem inneren Ring 1 auf den äu­ ßeren Ring 2 durch die Kugeln 7 übertragen, so daß der innere Ring und der äußere Ring sich mit gleicher Geschwindigkeit drehen. Wie auf dem in Fig. 2A gezeigten Querschnitt er­ sichtlich, weist jede der Laufrillen 3 und 4 zwei bogenför­ mige Flächen auf, die einander unter einem vorbestimmten Win­ kel schneiden, so daß die Kugeln 7 winkligen Kontakt mit den Laufrillen 3, 4 an vier Punkten machen.

Außer dem oben beschriebenen Gelenk werden auch in den Fig. 3 und 4 gezeigte Gleichlauf-Universalgelenke als Lenkwel­ len verwendet. Das in Fig. 3 gezeigte Gelenk weist einen in­ neren Ring 1 und einen äußeren Ring 2 auf, die mit Kugellauf­ rillen 3 und 4 versehen sind, welche gerade Abschnitte 8 und 9 aufweisen. Die Laufrillen 3 und 4 des in Fig. 4 gezeigten Gelenks weisen Querschnitte mit einer größeren Krümmung als die Kugeln auf.

Diese Gelenke können ein Durchmesserspiel zwischen den Lauf­ rillen 3, 4 und den Kugeln aufweisen (welches der Differenz zwischen dem Wälzkreisdurchmesser (WKD) der Laufrillen 4 des äußeren Ringes und dem WKD der Laufrillen 3 des inneren Rin­ ges gleich ist, im folgenden als "WKD-Spiel" bezeichnet) und/ oder ein Axialspiel zwischen den Fenstern 6 des Käfigs 5 und den Kugeln 7 aufweisen (im folgenden als "Fensterspiel" be­ zeichnet). Das WKD-Spiel wirkt sich aus auf das Rasseln (oder Klappern) des Gelenks in der Richtung der Drehung, wogegen das Fensterspiel sich auf das axiale Rasseln des Gelenks aus­ wirkt.

In herkömmlichen Gelenken weist das Gelenk etwas WKD-Spiel auf, wie in Fig. 2A gezeigt, wogegen das Fensterspiel elimi­ niert wird durch Einsetzen der Kugeln in die Fenster mit einem vorbestimmten übermaß (interference). Bei dieser Anord­ nung werden die Kugeln ohne axiales Rasseln des eliminierten Gelenks geführt.

Andererseits sollte zur besseren Lenkbarkeit ein Kraftfahr­ zeug-Lenkmechanismus ein möglichst geringes Spiel in der Drehrichtung aufweisen. Ein zu großes Spiel würde die Lenk­ barkeit übermäßig beeinträchtigen.

Wenn aber das WKD-Spiel, ebenso wie das Fensterspiel, des Ge­ lenks eliminiert wird durch Vorsehen eines Übermaßes zwischen den Kugeln und den Laufrillen, um ein Spiel in der Drehrich­ tung zu reduzieren, wird der Momentverlust zunehmen, das heißt, das durch das Gelenk übertragene Moment nimmt zu. Ins­ besondere wenn das Lenkrad in einem niedrigen Momentbereich gedreht wird, wobei die Lenkwelle einen großen Arbeitswinkel bildet, neigt der Momentverlust in dem Gelenk sowie die Mo­ mentschwankung dazu, auf ein solches Niveau zuzunehmen, daß die Lenkbarkeit sich spürbar verschlechtert.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Gleichlaufge­ lenks, welches ein Moment glatt und sicher übertragen kann und dabei das Spiel in der Drehrichtung so gering wie möglich hält.

Gemäß der Erfindung wird ein Gleichlaufgelenk geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand zwischen den in dem inneren Ring und den in dem äußeren Ring ausgebildeten Laufrillen so festgelegt wird, daß die Kugeln zwischen die Laufrillen mit einem vorbestimmten übermaß eingepaßt werden, wogegen ein axiales Spiel zwischen den Fenstern des Käfigs und den Kugeln gelassen wird.

Das Gelenk der Erfindung weist kein WKD-Spiel auf durch Ein­ passen der Kugeln in die Laufrillen mit einem vorbestimmten Übermaß, wobei nur das Fensterspiel verbleibt. Also können die Kugeln glatt rollen trotz der Tatsache, daß das Gelenk kein Spiel in der Drehrichtung aufweist. Das macht es mög­ lich, das Drehmoment in einem Bereich niedrigen Moments zu reduzieren.

Obwohl das Gelenk der Erfindung etwas Spiel in einer axialen Richtung aufweist, hat ein geringes Maß an axialem Spiel we­ nig Einfluß auf die Lenkbarkeit des Lenksystems.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnitt-Frontansicht eines Gleich­ laufgelenks;

Fig. 2A einen Schnitt von Laufrillen des Gelenks;

Fig. 2B einen Schnitt der gleichen Laufrillen, welche den Zustand zeigt, in dem eine Kugel mit einem übermaß eingepaßt ist;

Fig. 3 eine vertikale Schnitt-Frontansicht eines unter­ schiedlichen Gleichlaufgelenks;

Fig. 4 einen Schnitt von Laufrillen eines unterschiedli­ chen Gelenktyps;

Fig. 5A ein Diagramm der Variation des Momentverlust- Prozentsatzes;

Fig. 5B ein Diagramm der Variation des Moment-Prozent­ satzes; und

Fig. 5C ein Diagramm der Variation des Maximalwertes des Moments.

Das Gleichlaufgelenk der Ausführungsform ist in seiner Grund­ konstruktion das gleiche wie das in Fig. 1 gezeigte herkömm­ liche Gelenk. Der einzige Unterschied besteht darin, daß der Abstand zwischen den Laufrillen 3 und 4 des inneren Ringes 1 und des äußeren Ringes 2 kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln 7 (Fig. 2B). Die Kugeln 7 sind also in die Laufrillen 3 und 4 mit einem Übermaß eingepaßt.

Es ist aber ein axiales Spiel (Fensterspiel) zwischen jedem Fenster 6 des Käfigs 5 und der Kugel 7 vorgesehen.

Bei dieser Anordnung weist das Gelenk kein Spiel in der Rich­ tung seiner Drehung auf, da die Kugeln 7 in die Laufrillen mit einem Übermaß eingepaßt sind. Da aber das Gelenk ein axiales Spiel aufweist, können die Kugeln 7 in den Laufrillen in einem Niedrigmomentbereich glatt rollen. Selbst wenn der Arbeitswinkel zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Gelenks ziemlich groß ist, kann daher ein Moment glatt und sicher übertragen werden.

Die Kugeln sollten in die Laufrillen mit einem Übermaß im Be­ reich von 0,005 und 0,050 mm eingepaßt sein. Bei weniger als 0,005 mm würden die Kugeln nicht ausreichend unter Druck ge­ setzt. Bei mehr als 0,050 mm wäre der Druck auf die Kugeln so hoch, daß das Moment übermäßig ist. Das Fensterspiel sollte in dem Bereich von 0,005 bis 0,040 festgelegt werden unter Berücksichtigung der Abmessungsfehler der Gelenkteile.

In dem Fall eines festen Kugel-Gleichlauf-Universalgelenks betragen der Versetzungswinkel α und der durch die Laufrillen gebildete Keilwinkel β (Fig. 1) beide etwa 14 bis 16 Grad. Wenn das Gelenk ein bestimmtes Fensterspiel aufweist, dient dies also auch dazu, ein Umfangsspiel zu erzeugen, welches etwa die halbe Größe des Fensterspiels beträgt. Wenn es ge­ wünscht wird, das Umfangsspiel vollständig zu eliminieren, muß also das WKD-Spiel so eingestellt werden, daß es gleich der Hälfte oder mehr als die Hälfte der Größe des Fenster­ spiels beträgt. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, eine genaue, sichere Arbeitsweise des Gelenks sicherzustellen.

Außer bei dem in Fig. 1 gezeigten Gelenk ist das Konzept der Erfindung in gleicher Weise anwendbar auf die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Gleichlaufgelenke.

Das Gleichlauf-Universalgelenk der oben beschriebenen Ausfüh­ rungsform ist eines zur Verwendung bei einer Lenkwelle. Aber das Konzept der Erfindung ist in gleicher Weise anwendbar auf Gelenke zur Verwendung mit irgend einer anderen Welle wie beispielsweise einer Servolenkwelle.

(Versuche)

Wir führten einen Versuch durch, um die Wirkungen der Erfin­ dung zu bestätigen.

In diesem Versuch bereiteten wir die folgenden drei Arten von Gleichlauf-Universalgelenken der in den Fig. 1 und 2 ge­ zeigten Konstruktion vor: ein Gelenk mit etwas Fensterspiel, aber ohne WKD-Spiel durch Einpassen der Kugeln in die Lauf­ rillen mit einem Übermaß (Gegenstand gemäß der Erfindung), ein Gelenk, das weder WKD-Spiel noch Fensterspiel aufweist, durch Vorsehen eines Übermaßes zwischen den Kugeln und den Laufrillen sowie zwischen den Kugeln und den Käfigfenstern (Kontrollgegenstand 1), und ein Gelenk mit WKD-Spiel, aber ohne Fensterspiel durch Vorsehen eines Übermaßes zwischen den Kugeln und den Käfigfenstern (Kontrollgegenstand 2).

In dem Versuch haben wir das Drehmoment gemessen, das erzeugt wird, wenn bei jeder der drei Proben der innere Ring und der äußere Ring gedreht werden unter gleichzeitigem Anwenden einer Belastung auf diese.

Im allgemeinen beträgt das zum Drehen des Lenkrades eines Wa­ gens mit einem Servolenkmechanismus erforderliche Moment in einem niedrigen Lastbereich, während der Wagen sich nicht be­ wegt, etwa 0,5 kgf·m. Also wurde in dem Versuch ein Moment von 0,5 kgf·m bei jeder Probe angewendet, um das Ausgangsmo­ ment zu messen. Der Arbeitswinkel der Welle wurde bei 40° ge­ halten, was relativ groß ist.

Aus dem Ausgangsmoment, dem Eingangsmoment und der erhaltenen Momentvariation berechneten wir die folgenden drei Parameter und ermittelten deren Veränderung mit der Gelenkdrehzahl.
Momentverlust-Prozentsatz = (Ausgangsmoment - Eingangsmoment)/(Eingangsmoment)
Momentvariation-Prozentsatz = (Größe der Momentvariation)/(Eingangsmoment)
Maximalwert = (Ausgangsmoment - Eingangsmoment + 1/2 der Größe der Momentvariation )/(Eingangsmoment).

Die erhaltenen Werte sind in den Fig. 5A bis 5C gezeigt.

Wie in diesen Figuren gezeigt, zeigten der Gegenstand der Er­ findung und der Kontrollgegenstand 2 um die Hälfte niedrigere Momentverlust-Prozentsatz und Momentvariation als der Kon­ trollgegenstand 1. In Kontrollgegenstand 2 nahm die Momentva­ riation stark zu mit zunehmender Gelenkdrehzahl. Im Gegensatz dazu war in dem Gegenstand der Erfindung die Momentvariation stabil über den gesamten Drehzahlbereich (U/min).

Es wurde also bestätigt, daß, während das Eingangsmoment re­ lativ niedrig ist, der Gegenstand der Erfindung, das heißt, ein Gelenk mit Fensterspiel, aber ohne WKD-Spiel durch Ein­ passen der Kugeln in die Laufrillen mit einem Übermaß den ge­ ringsten Momentverlust zeigte und in Drehung am glattesten war.

Wie oben beschrieben, kann das Gleichlaufgelenk gemäß der Er­ findung sich glatt drehen ohne Spiel in der Richtung seiner Drehung, selbst wenn die Eingangs- und die Ausgangswelle einen großen Arbeitswinkel relativ zueinander annehmen. Durch Verwenden dieses Gelenks für eine Lenkwelle ist es möglich, eine stabile Lenkbarkeit zu erreichen.

Claims (1)

1. Gleichlaufgelenk mit einem inneren Ring und einem äuße­ ren Ring, in denen axiale Laufrillen so ausgebildet sind, daß sie einander gegenüberliegen, mit Kugeln, die in den Laufril­ len aufgenommen werden, und mit einem Käfig, der zwischen dem inneren und dem äußeren Ring angebracht ist und Fenster auf­ weist, welche die entsprechenden Kugeln aufnehmen, wodurch zwischen dem inneren und dem äußeren Ring ein Moment übertra­ gen wird durch die Kugeln, so daß der innere und der äußere Ring sich mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den in dem inneren Ring (1) und den in dem äußeren Ring (2) ausgebildeten Lauf­ rillen (3, 4) so festgelegt ist, daß die Kugeln (7) in die Laufrillen (3, 4) zwischen dem äußeren Ring (2) und dem inne­ ren Ring (1) mit einem vorbestimmten Übermaß eingepaßt wer­ den, wogegen ein axiales Spiel zwischen den Fenstern des Kä­ figs (6) und den Kugeln (7) gelassen wird.