DE19722141C2

DE19722141C2 - Gleichlauf-Kugeldrehgelenk mit zwei getrennten Gruppen von Kugeln für die Gleichlaufsteuerung und Drehkraftübertragung

Info

Publication number: DE19722141C2
Application number: DE1997122141
Authority: DE
Inventors: Erich Aucktor; Graf Von Seherr-Thoss
Original assignee: SEHERR THOSS GRAF VON
Current assignee: SEHERR THOSS GRAF VON
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: DE19736640A1; DE19722141A1; DE19736640C2

Description

Die Erfindung betrifft ein homokinetisch arbeitendes Univer salgelenk mit einander gegenüberliegenden Kugelflächen eines inneren und äußeren Gelenkkörpers, zwischen denen zur Dreh momentübertragung Kugeln in koaxialen, sich ergänzenden und längs der Meridiane auf den Gelenkkörpern verlaufenden Ril len angeordnet sind. Ferner ist vorgesehen ein Haltekäfig zwischen den Kugelflächen, indessen Öffnungen zwei Grup pen von Kugeln gehalten werden. Eine Gruppe der Kugeln über trägt das Drehmoment; die andere Gruppe der Kugeln dient zum Führen in der Winkelhalbierenden, angeordnet in einer zweiten Rillengruppe, die symmetrisch zum Gelenkmittel punkt 0 als Meridian verläuft.

Bekannt ist ein solches Gleichlauf-Kugeldrehgelenk aus der DE-OS 18 17 284, in dem die Steuerung der kleinen Kugeln in die Gleichlaufebene nach dem Prinzip der "Stuber-Steuerung" erfolgt und deren Ril len um einen gleichmässig und symmetrisch außerhalb des Gelenkmittelpunktes 0 liegenden Punkt als Meridian verlau fen. Dieses Gelenk weist mehrere Mängel auf, wie Verklem mungen und Reibverluste, wodurch seine Verwendbarkeit er heblich eingeschränkt ist. Ursachen sind:

- überbestimmte Gelenklagerung (Doppelzentrierung) durch den Käfig und die Kugeln,
- Selbsthemmung des zentrierten Käfigs an seiner äußeren und inneren kugeligen Rundung,
- grössere Dicke des Käfigs und damit eingeschränkte Ril lentiefe wegen der radialen Bewegung der kleinen Kugeln,
- der hohe axiale Abstützdruck des Käfigs ergibt Reibungs verluste durch die Drehkraftbelastung,
- wegen der erforderlichen Spielverbauung der Steuerkugeln nimmt nur ihre halbe Anzahl am Steuervorgang teil.

Es soll ein Kugeldrehgelenk geschaffen werden, das weder klemmt, noch in der Kraftübertragung Verluste enthält.

In diesem Gelenk werden in zwei getrennten Kugelgrup pen die drehmomentübertragenden Kugeln störungsfrei gesteuert. Sämtliche Kugeln kommen zum Tragen. Ein Käfig hält die beiden Kugelgruppen zusammen: eine zur Drehmomentübertragung, die andere zur Führung in die Winkelhalbierende. Der Käfig ist frei von Axial belastungen. Der Gleichlauf entsteht beim schlupf freien Abrollen der Steuerkugeln, wenn die Winkelge schwindigkeiten in der äusseren und inneren Rille gleichgross sind. Radiale Bewegungen der Steuerkugeln werden vermieden.

Das Gelenk ist vorteilhaft in allen Übertragungs aufgaben mit grossen Beugungswinkeln, besonders an Kraftfahrzeugen.

Durch die Erfindung entsteht ein Gelenk mit einer eigen ständigen und störungsfreien Steuerung der Kugeln in die Gleichlaufebene. Gemäss der Erfindung folgen Ril lenverlauf und Rillenquerschnitt für die Steuerkugeln einer festen Gesetzmäßigkeit der Wälzlagertechnik, wobei:

1. die Steuerkugeln 12 allein das Gelenk zentrieren,
2. der Querschnitt der Steuerrillen 7 und 8 drei Kontakt stellen für die Kugeln 12 aufweist,
3. die Steuerrillen 8 im äußeren Gelenkkörper 4 im Rillengrund 17 kugelför mig ausgebildet sind und der Kugelradius R + d/2 seinen Ursprung in der Gelenkmitte 0 hat,
4. die Kontaktstelle der Rille 8 im äußeren Gelenkkörper 4 im Rillengrund 17 angeordnet ist,
5. der Rillenquerschnitt 7 im inneren Gelenkkörper 3 vor zugsweise einer Spitzbogenform entspricht,
6. die beiden Kontaktsteuern der Rille 7 einen Kontaktwinkel α_i aufweisen dessen Größe sich aus
errechnet,
7. die Steuerkugeln 12 angestellt (vorgespannt) montiert sind,
8. jede einzelne Rille 9 und 10 für die drehmomentübertragenden Kugeln 13 als Kugel fläche um den Gelenkmittelpunkt ausgeführt ist,
9. die Kugeln 13 mit Spiel verbaut sind, das gleich oder grösser ist als der gesamte Teilungsfehler der Rillen 9/10,
10. das radiale Kugelspiel 19 in den Rillen 9/10 halb so gross ist wie das Drehspiel 18,
11. keine der Kugeln 12 und 13 radiale Bewegungen ausführt, weshalb der Käfig 11 sehr dünnwandig ist,
12. sämtliche Kugeln 12 und 13 des Gelenks im Betrieb un unterbrochen spielfrei arbeiten,
13. die Steuerrillen 7 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt 0 angeordnet sind,
14. der Käfig 11 auf dem Innenkörper 3 zentriert ist,
15. der Käfig 11 zur Kugelflächenzone 6 des äußeren Ge lenkkörpers 4 Spiel hat,
16. der Rillengrund von 9 und 10 mit einer Freidrehung 20 versehen ist,
17. alle Kugeln 12 und 13 axial spielfrei in den Schlitzen 15 und 16 des Käfigs 11 geführt sind.
18. die Kugelgruppen 12 und 13 gleichgross ausgeführt sind.

Folgende Zeichnungen erläutern die Erfindung:

Fig. 1: das Gelenk im Längsschnitt längs der Linie I/I nach Fig. 2,

Fig. 2: das Gelenk im Querschnitt längs der Linie II/II nach Fig. 1,

Fig. 3: die Abwicklung des Käfigs,

Fig. 4: Einzelheit III des Rillenquerschnittes der Steuer- Kugel nach Fig. 2,

Fig. 5: Einzelheit IV des Rillenquerschnittes der Drehkraft übertragenden Kugel nach Fig. 2,

Fig. 6: die Ableitung der Kontaktpunkte im inneren Rillenquerschnitt nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt das Gelenk mit konzentrischen Rillen im ge streckten Zustand. Die Gelenkanschlüsse sind gegeben durch die Welle 1 mit einer Keilverzahnung 2 des inneren Gelenkkörpers 3 und dem Zapfenanschluß 14 des äußeren Gelenkkörpers 4. Der innere Gelenkkörper 3 besitzt eine Kugelflächenzone 5, der äußere Gelenkkörper 4 analog eine Kugelflächenzone 6, beide mit dem gleichen Mittel punkt 0, der gleichzeitig der Gelenkmittelpunkt ist. In diesen beiden konzentrisch zueinander liegenden Kugel flächenzonen 5 und 6 laufen zwei Gruppen von Kugelgrös sen mit jeweils einander gegenüberliegenden Rillen 7 und 8 bzw. 9 und 10, die konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt 0 angeordnet sind. Zwischen den Kugelflächenzonen 5 und 6 befindet sich der Kugelkäfig 11, der in jeder der Rillen 7 und 8, 9 und 10 eine Kugel 12 bzw. 13 hält.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Gelenkes mit den beiden Kugelgruppen der Grösse 12 und 13 gezeigt. Der Käfig 11 ist auf der Kugelflächenzone 5 des inneren Gelenkkörpers 3 zentriert und hat zur Kugelflächenzone 6 des äußeren Ge lenkkörpers 4 Spiel.

Fig. 3 zeigt die Abwicklung des Käfigs 11 mit den Führungs schlitzen 15 und 16 für die Kugeln 12 und 13, die darin spielfrei geführt sind. Der Käfig 11 ist frei von Axialbe lastungen und hat lediglich Führungsaufgaben zu erfüllen.

Fig. 4 erläutert die Funktion des homokineti schen Gelenkgleichlaufs durch die Steuerkugel 12. Gleich lauf entsteht beim schlupffreien Abrollen der Steuerkugel 12 in den Rillen 7 und 8, wenn die Winkelgeschwindigkeiten der Steuerkugel 12 in der äusseren Rille 8 und der inneren Rille 7 gleich gross sind und die Steuerkugel 12 keine Drehkraftübertragung zulässt. Dazu ist der Rillengrund 17 der äußeren Rille 8 kugelförmig gestaltet mit dem Kugel radius R + d/2 = Rollkreisradius R plus halber Kugeldurch messer d/2, der Übergang zur inneren Kugelflächen-Innen zone 6 des äußeren Gelenkkörpers 3 beliebig. Der innere Rillenquerschnitt 7 erhält elliptische oder Spitzbogen- Form. Die Grösse des Kontaktwinkels α_i in der inneren Rille 7 errechnet sich aus dem Verhältnis:

wobei R = Rollkreisradius und d = Steuerkugel-∅.

Fig. 5 zeigt die Drehkraftübertragung über die Kugeln 13 in den Rillen 9 und 10. Da gem. Erfindung die Kraftüber tragung an der Kugel 13 an den Kontaktstellen mit den Rillen 9 und 10 genau gegenüberliegen müssen, werden der einfacheren Fertigung halber die Querschnitte der Rillen 9 und 10 kreisförmig bearbeitet. Das Drehspiel 18 ist gleich oder grösser als der gesamte Teilungsfehler der Rillen 9 und 10, während das Beugespiel 19 des Gelenks halb so gross ist wie das Drehspiel 18. Auf diese Weise werden gleichgrosse Kontaktwinkel an der Kugel 13 im Bereich um 45° erreicht. Im Betrieb kommen gem. Erfindung sämtliche Kugeln 13 zum Tragen. Um eine Verklemmung an einer möglicherweise angestellten Kugel 13 zu verhindern, ist der Rillengrund von 9 und 10 mit einer Freidrehung 20 versehen.

Fig. 6 zeigt, welcher Kontaktwinkel α_i erforderlich ist, damit zu einem gegebenen Kontaktwinkel α_a gleiche Win kelgeschwindigkeiten an der abrollenden, angestellten Ku gel 12 entstehen: bewegt sich die Kugel d mit der glei chen Winkelgeschwindigkeit ω in der äußeren Rille 8 und in der inneren Rille 7, dann liegt eine schlupffreie Roll bewegung vor. Die Beziehung zwischen dem äußeren Kontakt winkel α_a und dem inneren Kontaktwinkel α_i zum Ver hältnis R/d lässt sich nach Fig. 6 ableiten zu:

Wird für α_a = 0 eingesetzt, dann gilt

Claims

Homokinetisch arbeitendes Universalgelenk mit einem inneren und äußeren Gelenkkörper, zwischen denen zur Dreh momentübertragung Kugeln in konzentrisch zum Gelenkmittel punkt längs der Meridiane verlaufenden Rillen des inneren und äußeren Gelenkkörpers angeordnet sind, und mit einem zwischen den Gelenkkörpern vorgesehenen Haltekäfig, in dessen Öffnungen außer der Gruppe der drehmomentübertra genden Kugeln eine Gruppe von Steuerkugeln zum Führen des Haltekäfigs in der Winkelhalbierenden in einer Gruppe von Steuerrillen, die ebenfalls konzentrisch zum Gelenkmittel punkt längs der Meridiane verlaufen, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Steuerrillen (8) nur eine Kontaktstelle und die zugehörigen inneren Steuerrillen (7) zwei Kontakt stellen für die jeweilige Steuerkugel (12) aufweisen, wobei der die Kontaktstelle aufweisende Rillengrund der äußeren Steuerrille (8) eine zum Gelenkmittelpunkt konzentrische Kugelfläche ist.