DE19626873C1 - VL-Gelenk für großen Schiebeweg und Beugewinkel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein längsverschiebliches Kugelgleichlauf­ drehgelenk mit einem Gelenkaußenteil mit innenliegenden ersten geraden Kugellaufbahnen, einem Gelenkinnenteil mit außenliegen­ den zweiten geraden Kugellaufbahnen, wobei jeweils einander zugeordnete erste und zweite Kugellaufbahnen eine Kugel einer Mehrzahl von drehmomentübertragenden Kugeln aufnehmen und die Mittellinien zumindest eines Teils der einander zugeordneten ersten und zweiten Kugellaufbahnen sich schneiden und jeweils unter gleich großen entgegengesetzten Winkeln die Achsen des Gelenkaußenteils bzw. des Gelenkinnenteils kreuzen, und mit einem ringförmigen Käfig, der eine der Anzahl der Kugeln ent­ sprechende Anzahl von Fenstern aufweist, in denen er jeweils eine der Kugeln aufnimmt, wobei der Käfig eine Außenkontur auf­ weist, die einen mittleren sphärischen Flächenabschnitt, der den Käfig bei gestrecktem Gelenk gegenüber dem Gelenkaußenteil zen­ triert und anschließende Konusflächen umfaßt, deren halber Öff­ nungswinkel dem halben maximalen Beugewinkel β/2 entspricht, und der Käfig eine Innenöffnung aufweist, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Außenkontur des Gelenkinnenteils.

Gelenke dieser Art werden in Antriebssträngen von Kraftfahr­ zeugen zur Darstellung großer Verschiebewege verwendet, bei­ spielsweise bei Antriebshalbwellen auf der innenliegenden Diffe­ rentialseite.

Die sich kreuzenden Bahnen können in Abwicklung betrachtet je­ weils im Gelenkinnenteil und im Gelenkaußenteil zueinander par­ allel sein oder gleich große entgegengesetzte Winkel mit der Achsrichtung bilden.

Gelenke der genannten Art können ausschließlich mit den defini­ tionsgemäß sich kreuzenden Bahnen dargestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, die der Steuerung der Kugeln auf den halben Verschiebeweg und auf die winkelhalbierende Ebene und damit des Käfigs bei Verschiebebewegungen und Beugebewegungen dienenden sich kreuzenden Bahnen durch achsparallele Bahnen zu ergänzen.

Die der axialen Führung des Käfigs dienende Innenkontur des Gelenkaußenteils ist rein zylindrisch und läßt keine anderen Gestaltungsmöglichkeiten zu. Die Form des Käfigs und die Außen­ kontur des Gelenkinnenteils läßt verschiedene Gestaltungsformen zu, wobei verschiedene bei der Gestaltung verfolgte Ziel­ setzungen zueinander im Widerspruch stehen. Aus Festigkeits­ gründen ist es wünschenswert, die Wandstärke des Käfigs mög­ lichst hoch zu halten. Andererseits ist es zur Erhöhung der Drehmomentkapazität anzustreben, die Tiefe der Bahnen im Gelen­ kinnenteil besonders groß zu machen. Die beiden genannten Forde­ rungen beschränken sich bei der Umsetzung gegenseitig. Weiterhin ist es zum einen wünschenswert, Gelenke mit einem möglichst großen Beugewinkel zu versehen, während zugleich ein großer Schiebeweg angestrebt wird. Da sich bei ausgezogenem und gebeug­ tem Gelenk die Schnittpunkte auf den Achsen der jeweiligen Bau­ teile nicht mehr in Bauteilmitte befinden, reduziert sich jedoch beim Ausziehen des Gelenks der maximal mögliche Beugewinkel.

Ein weiteres Gestaltungskriterium ist die Kugelanlage im Käfig­ fenster. Hier ist zu beachten, daß der Anlagepunkt nicht zu dicht an der Käfiginnenkante liegt, damit es nicht zu Material­ abplatzern, besonders nach geringem Verschleiß kommt.

Es sind bereits Gelenke der eingangs genannten Art aus dem DE-GM 18 76 790 bekannt, bei denen die Außenkontur des Käfigs aus einer mittleren Kugelscheibe und daran anschließenden Konus­ abschnitten besteht. Im Längsschnitt kann diese Außenkontur als "dachartig" bezeichnet werden. Der halbe Konusöffnungswinkel entspricht hierbei dem halben Gelenkbeugewinkel, was sich daraus erklärt, daß der Käfig gegenüber jedem der beiden Gelenkbauteile - Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil - jeweils nur den halben Beugewinkel ausführt.

Ebenso ist es bei diesen bekannten Gelenken der Fall, daß die Außenkontur des Gelenkinnenteils ebenfalls zwei Konusabschnitte umfaßt, die in der Regel durch einen einfachen überdrehten mitt­ leren Zylinderabschnitt verbunden sind. Bei maximaler Beugung des Gelenkes wirken die Konusabschnitte des Käfigs mit der zy­ lindrischen Innenfläche des Gelenkaußenteils und die Konusab­ schnitte des Gelenkinnenteils mit einer zylindrischen Innen­ fläche des Kugelkäfigs beugewinkelbegrenzend bzw. axialwegbe­ grenzend durch gegenseitige Anlage aneinander zusammen.

Aus der DE 37 10 572 C2 ist ein Gelenk ähnlicher Art bekannt, bei dem ein Käfig asymmetrisch zu einer Mittelebene ausgebildet ist und in einer Hälfte eine zurückgenommene Außenkontur durch eine Innenöffnung kleineren Durchmessers und in der anderen Hälfte eine Innenöffnung größeren Durchmessers durch eine erhöh­ te Außenkontur ausgeglichen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gelenk der ein­ gangs genannten Art ohne wesentliche Festigkeitseinbußen dahin­ gehend zu verbessern, daß bei gegebenem maximalen Beugewinkel ein vergrößerter axialer Schiebeweg erreicht werden kann bzw. daß bei unverändertem Beugewinkel und axialen Schiebeweg die Drehmomentkapazität des Gelenkinnenteils erhöht werden kann.

Die Lösung hierfür besteht darin, daß die beiden Konusflächen gegenüber tangential an eine mittlere Kugelabschnittsbezugs fläche anschließende Konusbezugsflächen, deren halber Öffnungs­ winkel dem halben maximalen Beugewinkel β/2 entspricht, mit einem Abstand Δ nach innen zurückliegen.

Eine erste Umsetzung ist hierbei dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere sphärische Fläche durch eine Tonnenfläche gebildet wird, mit dem Krümmungsradius R₁ um Mittelpunkte M₁, die von der Mittelachse M_k des Käfigs zur Oberfläche hin versetzt liegen.

Eine zweite Umsetzung ist dadurch gekennzeichnet, daß die mitt­ lere sphärische Fläche eine Kugelabschnittsfläche ist, deren halber Mittelpunktswinkel β/2 geringer ist als der halbe maxima­ le Beugewinkel β/2 des Gelenks.

Zur Erläuterung des Wesens und der Funktion der Erfindung wird unmittelbar auf die Zeichnungen eingegangen. Auf die übrigen Unteransprüche wird hiermit Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt ein Gelenk nach dem Stand der Technik im Längsschnitt in gestrecktem Zustand;

Fig. 2 zeigt ein Gelenk nach Fig. 1 im maximal gebeugten, maximal ausgezogenen Zustand;

Fig. 3 zeigt einen Käfig für ein erfindungsgemäßes Gelenk in einer ersten Ausgestaltung, das mit Ausnahme des Kä­ figs mit dem Gelenk nach Fig. 1 und 2 übereinstimmen kann;

Fig. 4 zeigt die Außenkontur des Käfigs nach Fig. 3 in ver­ größerter Darstellung;

Fig. 5 zeigt einen Käfig für ein erfindungsgemäßes Gelenk in einer zweiten Ausgestaltung, das mit Ausnahme des Käfigs mit dem Gelenk nach Fig. 1 und 2 übereinstim­ men kann;

Fig. 6 zeigt die Außenkontur des Käfigs nach Fig. 5 in ver­ größerter Darstellung.

Fig. 1 zeigt ein Gelenk nach dem Stand der Technik im Längs­ schnitt, an dem ein Gelenkaußenteil 1 mit ersten geraden innen­ liegenden Bahnen 2 und einer inneren zylindrischen Führungs­ fläche 3 zu erkennen ist. Im Gelenkaußenteil 1 ist unten im Schnitt eine Gewindebohrung 4 erkennbar, mit der das Gelenk­ außenteil an einem Antriebsteil angeschraubt werden kann. In der innenzylindrischen Führungsfläche 3 sitzt ein Käfig 5 ein, der eine Anzahl von umfangsverteilten Käfigfenstern 6 hat. Innerhalb des Gelenkaußenteils 1 und des Käfigs 5 sitzt ein Gelenkinnen­ teil 7 mit zweiten äußeren geraden Kugellaufbahnen 8. Das Ge­ lenkinnenteil 7 hat eine wellenverzahnte Innenausnehmung 9 zum Einstecken einer Antriebswelle. Jeweils eine drehmomentüber­ tragende Kugel 10 ist in paarweise zugeordneten ersten und zwei­ ten Kugelbahnen 2, 8 gehalten und von einem der Käfigfenster 6 des Käfigs 5 aufgenommen. Die Bahnen 2 und 8 sind als gerade achsparallele Kugelbahnen dargestellt, obwohl sie tatsächlich in Abwicklung zur Längsrichtung des jeweiligen Gelenkbauteils einen Schrägungswinkel haben, d. h. daß sie zu den Längsachsen jeweils windschief sind, wobei sie sich untereinander kreuzen. Der Käfig 5 hat eine Außenkontur, die sich aus einem kugeligen Mittel­ abschnitt 11 und dem Radius R_ka und zwei tangential anschließenden Konusabschnitten 12, 13 zusammensetzt. Er hat weiter eine zylin­ drische Innenöffnung 14. Das Gelenkinnenteil 7 hat eine Außen­ kontur mit einem mittleren überdrehten Zylinderabschnitt 15 sowie daran anschließenden Konusabschnitten 16, 17. Der halbe Konusöffnungswinkel der Konen 12, 13 und 16, 17 ist jeweils als halber Gelenkbeugewinkel β/2 markiert. Wie zu erkennen, würde eine Vergrößerung des Winkels β/2 zu einer Reduzierung der Bahn­ tiefe der zweiten Kugelbahnen 8 am Gelenkinnenteil 7 führen. Der Innendurchmesser des Kugelkäfigs 5 ist so zu bemessen, daß der Wälzkreisradius R_kw der Kugeln größer ist als der Radius R_ki der Innenzylinderfläche 14 des Käfigs (Δ R = R_kw - R_ki < 0). Die Dif­ ferenz gibt den Abstand der Anlagepunkte der Kugel im Käfig von der Innenkante der Käfigfenster wieder. Ist dieser Wert zu ge­ ring, kann es zu Absplitterungen an der Innenkante der Käfigfen­ ster kommen.

In Fig. 2 ist ein ähnliches Gelenk wie in Fig. 1 in axial ausgezogener und gebeugter Stellung gezeigt. Einander entspre­ chende Einzelheiten sind mit gleichen Ziffern belegt. Die Mit­ tellinie M_i des Gelenkinnenteils ist gegenüber der Mittellinie M_a des Gelenkaußenteils um den Gelenkbeugewinkel β geschwenkt, während die Mittellinie M_k des Käfigs gegenüber beiden jeweils um den halben Beugewinkel β/2 geschwenkt ist. Gleichzeitig ist der aktuelle Schnittpunkt S_a gegenüber dem ursprünglichen Ge­ lenkzentrum Z in der Mittelebene E_a des Gelenkaußenteils und gegenüber dem Mittelpunkt Z_i des Gelenkinnenteils in der Mittel­ ebenen E_i des Gelenkinnenteils auf ihren Achsen M_i, M_a verscho­ ben. Der Käfig schlägt hierbei mit seinen Konusflächen 12 und 13 in Linienkontakt an der zylindrischen Innenfläche 3 des Gelenk­ außenteils 1 an. Das Gelenkinnenteil 7 schlägt mit seiner Konus­ fläche 17 an der zylindrischen Innenöffnung 14 des Käfigs 5 an. Es wird in dieser Darstellung deutlich, daß der maximale Beuge­ winkel β in dieser maximal ausgezogenen Stellung durch die Au­ ßenform des Käfigs begrenzt wird und daß das Gelenkinnenteil in seiner Außenform dem maximalen Beugewinkel β im Sinne möglichst großer Bahntiefe angepaßt ist, so daß gleichzeitig ein Kontakt zwischen Käfig und Gelenkaußenteil einerseits und Kugelnabe und Käfig andererseits stattfindet. Die maximal ausgezogene Stellung ist durch die äußerste Position einer Kugel in der Kugelbahn 2 des Gelenkaußenteils in der durch die Mittellinien M_i, M_a aufge­ spannten Beugeebene gegeben.

In Fig. 3 ist mit gestrichelten Linien ein Käfig in der Aus­ führung nach den Fig. 1 und 2 gezeigt und mit durchgezogenen Linien ein erfindungsgemäßer Käfig. Der Radius R_ki der zylin­ drischen Innenöffnung 3 des Käfigs 5 ist unverändert. Die Außen­ kontur des Käfigs nach dem Stand der Technik setzt sich aus einem mittleren Kugelabschnitt 11 mit dem Radius R₀ um den Mit­ telpunkt M₀ und daran tangential anschließenden Konusflächen 12, 13 zusammen. Der Öffnungswinkel des Kugelabschnitts entspricht jeweils auf die Mittelebene bezogen beidseitig dem halben Beuge­ winkel β/2. Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Kugelkäfig eine Außenkontur mit einem mittleren tonnenförmigen Abschnitt mit dem Krümmungsradius R₁ um Mittelpunkte M₁ auf, sowie gegenüber den Konusflächen 12, 13 um den Betrag Δ nach innen parallel zurückliegende Konusflächen 32, 33. Der größte Außenradius des Käfigs ist unverändert R_ka = R₀ in der Mittelebene.

In Fig. 4 sind die entsprechenden äußeren Konturen und ihre Erzeugenden für die obere Bildhälfte nochmals vergrößert dar­ gestellt, wobei die gleichen Bezeichnungen verwendet werden. Der Betrag von Δ errechnet sich mit (R₀ - R₁) (1 - cos β/2).

In Fig. 5 ist mit gestrichelten Linien ein Käfig in der Aus­ führung nach den Fig. 1 und 2 gezeigt und mit durchgezogenen Linien ein erfindungsgemäßer Käfig. Der Radius R_ki der zylin­ drischen Innenöffnung 3 des Käfigs ist unverändert. Die Außen­ kontur des Käfigs 5 nach dem Stand der Technik setzt sich aus einem mittleren Kugelabschnitt 11 mit dem Radius R₀ um den Mit­ telpunkt M₀ und daran tangential anschließenden Konusflächen 12, 13 zusammen. Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Kugelkäfig eine Außenkontur mit einem mittleren Kugelabschnitt mit dem gleichen Radius R₀ um den Mittelpunkt M₀, jedoch einem geringeren Öffnungswinkel β₀/2 jeweils beidseitig der Mittelebene auf, sowie gegenüber den Konusflächen 12, 13 um den Betrag Δ nach innen parallel zurückliegende Konusflächen 42, 43. Der größte Außenradius des Käfigs ist unverändert R_ka = R₀ in der Mittelebene.

In Fig. 6 sind die entsprechenden äußeren Konturen und ihre erzeugenden für die obere Bildhälfte nochmals vergrößert dar­ gestellt, wobei die gleichen Bezeichnungen verwendet werden. Der Betrag von Δ errechnet sich mit etwa 1/8 R₀ (β - β₀)².

Aus den Darstellungen der Fig. 3 und 5 ist erkennbar, daß bei gestrecktem Gelenk der Käfig in gleicher Weise in der Innen­ fläche 3 des Gelenkaußenteils 1 zentriert gehalten wird wie bei herkömmlichen Kugelkäfigen.

In einer maximal gebeugten maximal ausgezogenen Stellung ent­ sprechend Fig. 2 hingegen können die erfindungsgemäßen Käfige um den Betrag Δ radial in der Beugungsebene zur Winkelinnenseite hin verlagert werden, so daß zwischen der Konusfläche 17 des Gelenkinnenteils 7 und der zylindrischen Innenfläche 14 des Käfigs 5 ein Spalt von etwa gleicher Dicke entstehen könnte. Ein derartiger Spalt schafft die erste Möglichkeit, das Gelenk bei vorgegebener Beugung, die durch die Anlage des Käfigs am Gelenk­ außenteil vorgegeben ist, weiter axial zu verlängern, bis der genannte Spalt zu Null geworden ist. Eine zweite Möglichkeit der radialen Verlagerung des Käfigs um den Betrag Δ besteht darin, dem Gelenkinnenteil eine um diese Dicke verstärkte Form zu ge­ ben, um trotz radial verlagertem Käfig um den Betrag Δ keinen Spalt zwischen der zylindrischen Innenausnehmung 14 des Käfigs 5 und der Konusfläche 17 des Gelenkinnenteils 7 entstehen zu lassen, sondern dort durch konstruktive Änderung des Gelenk­ innenteils ebenfalls Kontakt zu erzeugen. Dies bedeutet, daß die Konusflächen 16, 17 etwa um den Betrag Δ nach außen verlagert werden, so daß die Bahntiefe der Bahnen 8 im Gelenkinnenteil 7 an den Enden entsprechend größer wird und die Drehmomentkapazi­ tät des Gelenkinnenteils und damit des Gelenks insgesamt bei maximaler Beugung erhöht wird.

Claims (4)

1. Längsverschiebliches Kugelgleichlaufdrehgelenk mit einem Gelenkaußenteil (1) mit innenliegenden ersten geraden Ku­ gellaufbahnen (2), einem Gelenkinnenteil (7) mit außenlie­ genden zweiten geraden Kugellaufbahnen (8), wobei jeweils einander zugeordnete erste und zweite Kugellaufbahnen (2, 8) eine Kugel (10) einer Mehrzahl von drehmomentübertragen­ den Kugeln (10) aufnehmen und die Mittellinien zumindest eines Teils der einander zugeordneten ersten und zweiten Kugellaufbahnen (2, 8) sich schneiden und jeweils unter gleich großen entgegengesetzten Winkeln die Achsen (M_i, M_a) des Gelenkaußenteils (1) bzw. des Gelenkinnenteils (7) kreuzen, und mit einem ringförmigen Käfig (5), der eine der Anzahl der Kugeln (10) entsprechende Anzahl von Fen­ stern (6) aufweist, in denen er jeweils eine der Kugeln (10) aufnimmt, wobei der Käfig (5) eine Außenkontur auf­ weist, die einen mittleren sphärischen Flächenabschnitt, der den Käfig (5) bei gestrecktem Gelenk gegenüber dem Gelenkaußenteil (1) zentriert, und anschließende Konus­ flächen umfaßt, deren halber Öffnungswinkel dem halben maximalen Beugewinkel β/2 entspricht, und der Käfig (5) eine Innenöffnung (14) aufweist, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Außenkontur des Gelenkinnen­ teils (7), dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Konusflächen (32, 33, 42, 43) gegenüber tangential an eine mittlere Kugelabschnittsbezugsfläche (11) anschließende Konusbezugsflächen (12, 13), deren hal­ ber Öffnungswinkel dem halben maximalen Beugewinkel β/2 entspricht, mit einem Abstand Δ nach innen zurückliegen.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere sphärische Fläche durch eine Tonnenfläche (31) gebildet wird, mit dem Krüm­ mungsradius (R₁) um Mittelpunkte (M₁), die von der Mittelachse (M_k) des Käfigs (5) zur Oberfläche hin versetzt liegen.

3. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere sphärische Fläche eine Kugelabschnitts­ fläche (41) ist, deren halber Mittelpunktswinkel β₀/2 ge­ ringer ist als der halbe maximale Beugewinkel β/2 des Ge­ lenks.

4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei maximal gebeugtem und maximal verschobenem Gelenk der radial verlagerte Käfig (5) zugleich mit den Konus­ flächen (32, 33, 42, 43) seiner Außenkontur an der zylin­ drischen Innenöffnung (3) des Gelenkaußenteils (1) und mit einer zylindrischen Innenöffnung (14) an Außenflächen (16, 17) des Gelenkinnenteils (7) anliegt.