DE19706864C1 - Gleichlaufdrehgelenk - Google Patents

Gleichlaufdrehgelenk

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DE19706864C1 DE19706864A DE19706864A DE19706864C1 DE 19706864 C1 DE19706864 C1 DE 19706864C1 DE 19706864 A DE19706864 A DE 19706864A DE 19706864 A DE19706864 A DE 19706864A DE 19706864 C1 DE19706864 C1 DE 19706864C1
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Friedhelm John
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Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufdrehgelenk zur Drehmoment­ übertragung, mit einem Gelenkaußenteil mit äußeren Kugelbahnen, einem Gelenkinnenteil mit inneren Kugelbahnen, drehmomentüber­ tragenden Kugeln, die von in übereinstimmenden Meridianebenen liegenden Paaren von äußeren und inneren Kugelbahnen geführt werden, und einem Kugelkäfig, der die Kugeln in umfangsverteil­ ten Fenstern aufnimmt und in einer gemeinsamen Ebene hält und bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene führt, bei dem die Mittellinien der äußeren und inneren Kugelbahnen jeweils aus zumindest zwei aneinander anschließenden unterschiedlich ge­ krümmten Abschnitten zusammengesetzt sind.
Gelenke dieser Art sind als Rzeppa Festgelenke (RF) bzw. hinter­ schnittfreie Festgelenke (UF) bekannt. Letztere sind in der DE-PS 22 52 827 beschrieben. Für eine bestimmte Baugröße eines solchen Gelenkes, insbesondere im Hinblick auf seine axiale Länge, besteht eine wechselseitige Abhängigkeit zwischen dem maximalen Gelenkbeugewinkel und der Dicke der mit dem Gelenkin­ nenteil zu verbindenden Anschlußwelle. Der Beugewinkel wird zum einen dadurch begrenzt, daß ein Austritt der Kugeln aus den Bahnenden vermieden werden muß; genauer gesagt ist im Hinblick auf Kantenbelastungen an den Bahnenden noch ein ausreichender Sicherheitsabstand des Berührpunktes der Kugel in der Bahn von der Bahnendkante zu wahren. Der Beugewinkel wird weiterhin durch die Dicke der Anschlußwelle begrenzt, die bei Abbeugung des Gelenkinnenteils an einem Innenkonus des Gelenkaußenteils an­ schlägt und die weitere Abbeugung verhindert. Sinnvollerweise werden die Bemessungen von Anschlußwellendicke und Innenkonus­ form und -lage so aufeinander abgestimmt, daß der genannte An­ schlag der Anschlußwelle mit dem Erreichen des notwendigen Si­ cherheitsabstandes des Berührpunktes der Kugel von der Bahnend­ kante übereinstimmt.
Die Entwicklung im Automobilbau verlangt nach erhöhter Lei­ stungsfähigkeit der genannten Gleichlaufdrehgelenke, wobei dies bedeutet, bei vorgegebenem Bauraum bzw. Masse die Haltbarkeit und den Funktionsumfang zu steigern, bzw. bei vorgegebener Halt­ barkeit und Funktionsumfang den Bauraum bzw. die Masse zu redu­ zieren.
Bei den bekannten Gelenkkonstruktionen läßt sich ein Gewinn auf der einen Seite beispielsweise im Hinblick auf den Beugewinkel nur mit verringerter Haltbarkeit und Bruchfestigkeit erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleichlaufdrehge­ lenk der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Leistungs­ fähigkeit derart verbessert ist, daß eine Steigerung der Funk­ tionswerte bzw. eine Reduzierung von Bauraum und Masse ohne die Hinnahme von Einbußen der übrigen Parameter möglich wird.
Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Mittellinien S der Kugelbahnen des Gelenkaußenteils jeweils konvex gekrümmte Innen­ abschnitte S1 und zur Öffnungsseite hin jeweils dazu entgegenge­ setzt konkav gekrümmte Endabschnitte S2 haben. Dies bedeutet, daß die Innenabschnitte S1 zumindest teilweise um einen Gelenk­ mittelpunkt C herum gekrümmt verlaufen und die zur Öffnungsseite hin gelegenen Endabschnitte S2 entgegengesetzt nach außen ge­ krümmt verlaufen. Allgemein ergibt sich, daß sich der Abstand der Mittellinien der Kugelbahnen im Gelenkaußenteil von der Achse AA in den Endabschnitten S2 in Richtung zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteils hin vergrößert.
Die Form des Gelenkaußenteils ist somit dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelbahnen sich zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteils hin am Ende erweitern bzw. radial voneinander entfernen.
Nach einer speziellen Ausbildung kann vorgesehen werden, daß die Innenabschnitte S1 jeweils um einen Mittelpunkt Z1 innerhalb des Gelenkaußenteils gekrümmt verlaufen; weiterhin kann vorgesehen werden, daß die Endabschnitte S2 jeweils um einen Mittelpunkt Z2 außerhalb des Gelenkaußenteils gekrümmt verlaufen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den weiteren Unter­ ansprüchen, auf deren Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Aufgrund allgemeiner Symmetriebedingungen erweitern sich bzw. entfernen sich die Kugelbahnen im Gelenkinnenteil am axial ent­ gegengesetzten Ende, d. h. zum Boden des Gelenkaußenteils hin, in einem Endabschnitt ebenfalls voneinander, wiederum bezogen auf die Mittellinien, deren Abstand von der Achse AI des Gelen­ kinnenteils somit am genannten Ende am größten ist.
Die genannten Endabschnitte S2 können gemäß bestimmter Krüm­ mungslinien, beispielsweise als Kreisbögen verlaufen; ebenso sind gerade Bahnverläufe der Endabschnitte unter einem Winkel zur Längsachse AA möglich.
Der durch den erfindungsgemäßen Bahnverlauf bewirkte Effekt besteht darin, daß anders als bei Gelenken nach dem Stand der Technik, bei denen die Berührpunkte der Kugeln in den Bahnen etwa in radialen Ebenen durch die entsprechenden Mittelpunkte der Kugeln liegen, gemäß der vorliegenden Erfindung ein axialer Abstand zwischen den Berührpunkten der Kugeln in den Bahnen in Bezug auf Radialebenen durch die Kugelmittelpunkte zustande kommt, wobei die Berührpunkte jeweils zur Gelenkmittelebene hin versetzt sind. Hierdurch können Verbesserungen bezüglich des Verhältnisses der Parameter Gelenklänge/Gelenkmasse, maximaler Beugewinkel und Dicke der Anschlußwelle erzielt werden. Zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Maßnahmen und Wirkun­ gen muß auf die nachstehenden Zeichnungen Bezug genommen werden. Das erfindungsgemäße Gelenk ist im Ausführungsbeispiel als UF- Gelenk dargestellt; die Hinterschnittfreiheit der Kugelbahnen ist jedoch keine Notwendigkeit für die Verwirklichung der erfin­ dungsgemäßen technischen Lehre.
Fig. 1 zeigt ein hinterschnittfreies Gleichlaufdrehgelenk (UF-Gelenk) nach dem Stand der Technik im Längs­ schnitt;
Fig. 2 zeigt einen Bahnauslauf des Gelenkaußenteils des Ge­ lenks nach Fig. 1;
Fig. 3 zeigt das Gelenkaußenteil des Gelenks nach Fig. 1 mit abgebeugter Anschlußwelle;
Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Gleichlaufdrehgelenk mit hinterschnittfreien Bahnen (UF-Gelenk) im Längs­ schnitt;
Fig. 5 zeigt einen Bahnauslauf des Gelenkaußenteils des Ge­ lenks nach Fig. 4;
Fig. 6 zeigt das Gelenkaußenteil des Gelenks nach Fig. 4 mit abgebeugter Anschlußwelle.
In Fig. 1 ist ein Gleichlaufdrehgelenk bekannter Art darge­ stellt, das über ein Gelenkaußenteil 11, ein Gelenkinnenteil 12, drehmomentübertragende Kugeln 13 und einen Kugelkäfig 14 ver­ fügt. Das Gelenkaußenteil 11 ist einseitig durch einen Boden 15 abgeschlossen, an den sich ein Gelenkzapfen 16 anschließt. Dem Boden 15 liegt eine Öffnung 17 des Gelenkaußenteils 11 in axia­ ler Richtung gegenüber. Im Gelenkaußenteil 11 ist eine von einer Mehrzahl von umfangsverteilten äußeren Kugelbahnen 18 darge­ stellt, die von der Öffnungsseite 17 her betrachtet hinter­ schnittfrei ausgebildet ist. Das Gelenkinnenteil 12 ist mit einer Zentralöffnung 19 versehen, in die eine Anschlußwelle 20 eingesteckt ist, die über einen Sicherungsring 21 axial gesi­ chert ist. Am Gelenkinnenteil 12 ist eine von mehreren umfangs­ verteilten inneren Kugelbahnen 22 dargestellt, die ebenfalls von der Öffnungsseite 17 her betrachtet hinterschnittfrei ist. Äuße­ re Kugelbahnen 18 und innere Kugelbahnen 22 sind einander paar­ weise zugeordnet und nehmen jeweils paarweise gemeinsam die drehmomentübertragenden Kugeln 13 auf. Die Kugeln 13 werden vom Kugelkäfig 14 gemeinsam in einer Ebene gehalten, indem die Ku­ geln 13 in Käfigfenster 23 in der Mittelebene des Käfigs einge­ setzt sind, die mit der Mittelebene E des Gelenks übereinstimmt.
In der Gelenkmittelebene E liegt auch der Gelenkmittelpunkt C, der durch den Schnittpunkt der Achsen AA, AI von Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil bei Abbeugung des Gelenks definiert ist. Im Gelenkaußenteil 11 ist auf der Öffnungsseite 17 ein Innenkonus 24 ausgebildet, der einen Anschlag für die Anschlußwelle 20 des Gelenkinnenteils 12 bei Abbeugung bildet und hiermit den Beuge­ winkel β des Gelenks begrenzt, wie nachfolgend noch gezeigt wird.
In Fig. 2 ist das Gelenkaußenteil 11 mit einer äußeren Kugel­ bahn 18 bruchstückhaft gezeigt. Hierbei ist noch der genannte Innenkonus 24 erkennbar, der die äußere Kugelbahn 18 auf der Öffnungsseite 17 abschneidet. Weiterhin ist eine Kugel 13 in der Kugelbahn 18 in der Position gezeigt, die sie bei äußerster Abwinkelung des Gelenkinnenteils gegenüber dem Gelenkaußenteil einnimmt. Der maximale Gelenkbeugewinkel β zwischen den Achsen, der nachfolgend noch dargestellt wird, führt hierbei zu einem Beugewinkel des Käfigs gegenüber dem Gelenkaußenteil von β/2, der eingezeichnet ist. Mit der entsprechenden Abbeugung der Mittelebene des Käfigs gegenüber der Gelenkmittelebene E wird auch die Kugel 13 um den Winkel β/2 aus der Gelenkmittelebene E herausgeführt. Der Mittelpunkt M der Kugel folgt hierbei der strichpunktierten Mittellinie der äußeren Kugelbahn 18, die durch einen Kreisbogen S mit dem Radius R1, dessen Zentrum Z auf der Achse AA mit dem Offset O1 gegenüber der Gelenkmittelebene E versetzt ist, und eine parallel zur Achse AA daran tangential anschließende Gerade G definiert ist. In der dargestellten Ku­ gelposition liegt der Berührpunkt B der Kugel an der äußeren Kugelbahn 18 in einer Radialebene durch die Kugelmitte M. Gegen­ über der durch den Innenkonus 24 definierten Bahnendkante hat der Berührpunkt B einen minimalen Axialabstand L, der im Hin­ blick auf mögliche Kantenausbrechungen am Bahnende nicht unterschritten werden darf. Der Abstand des Berührpunktes B von der Gelenkmittelebene E ist hierbei mit N bezeichnet.
In Fig. 3 ist der bereits angesprochene Gelenkbeugewinkel β zwischen der Achse AA des Gelenkaußenteils 11 und der Achse AI des Gelenkinnenteils im Gelenkmittelpunkt C dargestellt. Stell­ vertretend für das Gelenkinnenteil wird hierbei die Anschlußwel­ le 20 gezeigt, die in dieser Position am Innenkonus 24 zur An­ lage kommt. Diese Begrenzung der Abwinkelung auf den Winkel β stellt das Einhalten des Mindestabstandes L des Berührpunktes B von der Bahnendkante der Kugelbahn 18 sicher.
In Fig. 4 ist ein Gleichlaufdrehgelenk gemäß der Erfindung dargestellt, das über ein Gelenkaußenteil 31, ein Gelenkinnen­ teil 32, drehmomentübertragende Kugeln 33 und einen Kugelkäfig 34 verfügt. Das Gelenkaußenteil 31 ist einseitig durch einen Boden 35 abgeschlossen, an den sich ein Gelenkzapfen 36 anschließt. Dem Boden 35 liegt eine Öffnung 37 des Gelenkaußen­ teils 31 in axialer Richtung gegenüber. Im Gelenkaußenteil 31 ist eine von einer Mehrzahl von umfangsverteilten äußeren Kugel­ bahnen 38 dargestellt, die von der Öffnungsseite 37 her betrach­ tet hinterschnittfrei ausgebildet ist, ohne daß dies zwingend erforderlich ist. Das Gelenkinnenteil 32 ist mit einer Zentral­ öffnung 39 versehen, in die eine Anschlußwelle 40 eingesteckt ist, die über einen Sicherungsring 41 axial gesichert ist. Am Gelenkinnenteil 32 ist eine von mehreren umfangsverteilten inne­ ren Kugelbahnen 42 dargestellt, die bezüglich der Gelenkmittel­ ebene E symmetrisch zur äußeren Kugelbahn verlaufend ebenfalls von der Öffnungsseite 37 her betrachtet hinterschnittfrei ist. Äußere Kugelbahnen 38 und innere Kugelbahnen 42 sind einander paarweise zugeordnet und nehmen jeweils paarweise gemeinsam die drehmomentübertragenden Kugeln 33 auf. Die Kugeln 33 sind in Käfigfenster 43 in der Mittelebene eines Kugelkäfigs 34 einge­ setzt, die mit der Mittelebene E des Gelenks übereinstimmt, und werden vom Kugelkäfig 34 gemeinsam in einer Ebene gehalten. In der Gelenkmittelebene E liegt auch der Gelenkmittelpunkt C, der durch den Schnittpunkt der Achsen AA, AI von Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil bei Abbeugung des Gelenks definiert ist. Im Gelenkaußenteil ist auf der Öffnungsseite 37 ein Innenkonus 44 ausgebildet, der einen Anschlag für die Anschlußwelle 40 bei Abbeugung bilden kann. Die Mittellinien der Kugelbahnen 38, 42, die parallel zum jeweiligen Bahngrund verlaufen und die sich im Mittelpunkt der Kugel 33 schneiden (nicht eingezeichnet), weisen Wendepunkte auf. Hierbei ist erheblich, daß die äußeren Kugel­ bahnen 38 sich zur Öffnungsseite 37 hin von der Längsachse AA entfernen, z. B. indem ein Krümmungsmittelpunkt des End­ abschnitts der Mittellinie der äußeren Kugelbahnen außerhalb des Gelenkaußenteils bzw. dieser Mittellinie liegt. Entsprechend ergibt sich, daß die inneren Kugelbahnen 42 sich zur Bodenseite 35 hin von der Längsachse AI entfernen, indem ein Krümmungs­ mittelpunkt des Endabschnitts der Mittellinie der inneren Kugel­ bahnen außerhalb des Gelenkinnenteils bzw. dieser Mittellinie liegt.
In Fig. 5 ist das Gelenkaußenteil 31 mit der äußeren Kugelbahn 38 bruchstückhaft gezeigt. Hierbei ist der genannte Innenkonus 44 erkennbar, der die äußere Kugelbahn 38 auf der Öffnungsseite 37 abschneidet. Weiterhin ist die Kugel 33 der Kugelbahn 38 in der Position gezeigt, die sie bei Abwinkelung des Gelenkinnen­ teils gegenüber dem Gelenkaußenteil um den unveränderten Gelenk­ beugewinkel β einnimmt. Der Gelenkbeugewinkel β zwischen den Achsen, der nachfolgend noch dargestellt wird, führt hierbei zu einem Beugewinkel des Käfigs gegenüber dem Gelenkaußenteil von β/2, der eingezeichnet ist. Mit der entsprechenden Abbeugung der Mittelebene des Käfigs gegenüber der Gelenkmittelebene E wird auch die Kugel 33 um den Winkel β/2 aus der Gelenkmittelebene E herausgeführt. Der Mittelpunkt M der Kugel folgt hierbei der strichpunktierten Mittellinie der äußeren Kugelbahn 38, die hierbei durch einen ersten Kreisbogen S1 mit dem Radius R1, dessen Zentrum Z1 auf der Achse AA um den Offset OZ1 gegenüber der Gelenkmittelebene E versetzt ist, und einen daran anschlie­ ßenden zweiten Kreisbogen S2 mit dem Radius R2, dessen Zentrum Z2 auf einer außerhalb des Gelenks liegenden Geraden mit dem Ab­ stand OY2 zur Längsachse AA um den Offset OZ2 gegenüber der Ge­ lenkmittelebene E versetzt ist, definiert ist.
Der Kugelmittelpunkt M liegt hierbei bei unverändert angenomme­ nem Beugewinkel β geringfügig zur Gelenkmittelebene E hin verla­ gert. Demgegenüber ist jedoch der Berührpunkt B der Kugel 33 an die äußere Kugelbahn noch hinter den Kugelmittelpunkt M zurück zur Gelenkmittelebene E und zusätzlich radial nach außen ge­ wandert. Dabei wird der Abstand N* des Berührpunktes B von der Gelenkmittelebene kleiner verglichen mit dem früheren Abstand N. Dies bedeutet, daß bei Wahrung des minimalen Axialabstandes L des Berührpunktes von der Bahnendkante die Lage des Innenkonus 44 zum Boden 15 hin versetzt werden kann, das heißt das Gelenk­ außenteil ist verkürzt worden.
In Fig. 6 ist der bereits angesprochene Gelenkbeugewinkel β zwischen der Achse AA des Gelenkaußenteils 31 und der Achse AI des Gelenkinnenteils 32 dargestellt. Stellvertretend für das Gelenkinnenteil wird hierbei die Anschlußwelle 40 gezeigt, die in dieser Position, wie bereits erwähnt, durch die Verschiebung des Innenkonus 44 einen Abstand zu diesem hat. Hieraus ergibt sich ohne weiteres die Möglichkeit, für einen unveränderten Beugewinkel β die Dicke der Anschlußwelle 40 zur Steigerung der Drehmomentkapazität zu erhöhen. Wird abweichend von der Dar­ stellung die Lage des Innenkonus in geringerem Maße verändert und die Dicke der Anschlußwelle beibehalten, kann unter Wahrung eines ausreichenden Sicherheitsabstandes L des Berührpunktes B vom Ende der Kugelbahn der Beugewinkel β vergrößert werden.
Bezugszeichenliste
11, 31
Gelenkaußenteil
12, 32
Gelenkinnenteil
13, 33
Kugel
14, 34
Kugelkäfig
15, 35
Boden
16, 36
Gelenkzapfen
17, 37
Gelenköffnung
18, 38
äußere Kugelbahn
19, 39
Innenöffnung
20, 40
Anschlußwelle
21, 41
Sicherungsring
22, 42
innere Kugelbahn
23, 43
Käfigfenster
24, 44
Innenkonus

Claims (9)

1. Gleichlaufdrehgelenk zur Drehmomentübertragung, mit einem Gelenkaußenteil (31) mit äußeren Kugelbahnen (38), einem Gelenkinnenteil (32) mit inneren Kugelbahnen (42), drehmo­ mentübertragenden Kugeln (33), die von in übereinstimmenden Meridianebenen liegenden Paaren von äußeren und inneren Kugelbahnen (38, 42) geführt werden, und einem Kugelkäfig (34), der die Kugeln (33) in umfangsverteilten Fenstern (43) aufnimmt und in einer gemeinsamen Ebene hält und bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene führt, bei dem die Mittellinien der äußeren und inneren Kugelbahnen (38, 42) jeweils aus zumindest zwei aneinander anschließen­ den unterschiedlich gekrümmten Abschnitten zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinien S der Kugelbahnen (38) des Gelenk­ außenteils (31) jeweils konvex gekrümmte Innenabschnitte S1 und zur Öffnungsseite (37) hin, jeweils dazu entgegenge­ setzt, konkav gekrümmte Endabschnitte S2 haben.
2. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenabschnitte S1 jeweils um einen Mittelpunkt Z1 innerhalb des Gelenkaußenteils (31) gekrümmt verlaufen.
3. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte S2 jeweils um einen Mittelpunkt Z2 außerhalb des Gelenkaußenteils (31) gekrümmt verlaufen.
4. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Endabschnitte S2 der Mittellinien stetig an die Innenabschnitte S1 der Mittellinien S anschließen.
5. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Endabschnitte S2 der Mittellinien in einem Wendepunkt an die Innenabschnitte S1 der Mittellinien an­ schließen.
6. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangenten an die Mittellinien S im Wendepunkt achs­ parallel sind.
7. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte S2 und Innenabschnitte S1 der Mittel­ linien Kreisbögen sind.
8. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius R2 der Endabschnitte S2 kleiner als der Krümmungsradius R1 der Innenabschnitte S1 der Mittelli­ nien ist.
9. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenabschnitte S1 der Kugelbahnen (38) im Gelenkaußenteil (31) um 10° über die Gelenkmittelebene E hinaus zur Öffnungsseite (37) des Gelenkaußenteils (31) hin erstrecken.
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