DE19843632A1 - Gleichlaufgelenk - Google Patents
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Description
Diese Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk, das in den Kraftübertragungssy
stemen von Automobilen und verschiedenen industriellen Maschinen verwendet
wird und das zur gleichmäßigen Übertragung des Drehmoments, unabhängig
davon, welche Winkel (Arbeitswinkel) die Wellen der Antriebs- und Abtriebs
seiten einnehmen, ausgeführt ist. Insbesondere betrifft sie ein Gleichlaufgelenk
ohne axiales Verschieben (Tauchen) des sog. festen Typs und speziell Verbesse
rungen der Form des Endes einer Laufbahnnut, die in die größere Endfläche
eines äußeren Gelenkelements mündet.
Wie in Fig. 6A, 6B und 8 dargestellt, weist ein Gleichlaufgelenk 1 des festen
Typs ein äußeres Gelenkelement 2 mit in seiner kugeligen Innenfläche 22 ausge
formten Laufbahnnuten 24, ein inneres Gelenkelement 3 mit in seiner kugeligen
Außenfläche 32 ausgeformten Laufbahnnuten 34, Kugeln 4, die zwischen den
entsprechenden Paaren von Laufbahnnuten 24 und 34 des äußeren und inneren
Gelenkelements 2 und 3 aufgenommen sind, und einen Käfig 5, der zwischen
den äußeren und inneren Gelenkelements 2 und 3 aufgenommen ist und mit Ta
schen 56 zur Aufnahme der Kugeln 4 versehen ist, auf.
Bei dem Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs wie in Fig. 9 dargestellt, ist der
Innendurchmesser D1 am offenen Ende des äußeren Gelenkelements 2 kleiner
als der Außendurchmesser D2 das Käfigs 5; es ist deshalb erforderlich, daß nach
dem Einbau des inneren Gelenkelements 3 und des Käfigs 5 in das äußere Ge
lenkelement 2, das innere Gelenkelement 3 und der Käfig 5 geneigt werden, um
eine der Taschen 56 des Käfigs 5 durch das offene Ende des äußeren Gelenkele
ments 2 nach außen freizulegen, damit eine Kugel 4 in die Tasche 56 eingebracht
werden kann. Der Einbau des inneren Gelenkelements 3 und des Käfigs 5 in das
äußere Gelenkelement 2 erfolgt wie in Fig. 10 dargestellt durch Neigen des inne
ren Gelenkelements 3 und des Käfigs 5 um 90°, Einführen des inneren Gelenke
lements 3 in den Käfig 5, relatives Drehen der beiden Teile um 90° in die Rich
tung, in der der Käfig 5 und das innere Gelenkelement 3 koaxial zueinander sind,
und Einbauen des inneren Gelenkelements 3 in den Käfig 5.
Danach werden wie in Fig. 11 dargestellt das mit dem Käfig ausgerüstete innere
Gelenkelement 3 und das äußere Gelenkelement 2 um 90° geneigt, das mit dem
Käfig ausgerüstete innere Gelenkelement 3 wird in das äußere Gelenkelement 2
eingeführt, die beiden Teile werden in die Richtung, in der das äußere und das
innere Gelenkelement 2 und 3 zueinander sind, um 90° geneigt, und das mit dem
Käfig ausgerüstete innere Gelenkelement 3 wird in das äußere Gelenkelement 2
eingebaut.
Wird mit dem Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs ein Drehmoment zwischen
dem äußeren und inneren Gelenkelement 2 und 3 bei einem Arbeitswinkel θ (Fig.
7 und 8) übertragen, bewegen sich die Kugeln 4 innerhalb der Taschen 56 in
Umfangsrichtung des Käfigs 5. Der Betrag der Bewegung der Kugeln 4 nimmt
proportional zum Arbeitswinkel θ zu. Der Neigungswinkel des Käfigs 5 relativ
zum äußeren Gelenkelement 2 hat ein Maximum, wenn die Kugeln 4 wie in Fig.
9 dargestellt eingebaut werden (dieser Winkel wird als Kugeleinbauwinkel be
zeichnet), und es ist erforderlich, die Umfangslänge der Taschen 56 auf Basis des
Betrags der zu diesem Zeitpunkt ausgeführten Bewegung der Kugeln 4 zu be
stimmen.
Deshalb besteht eine Beziehung der Art, daß mit Zunahme des Kugeleinbauwin
kels die Breite (Abmessung in Umfangsrichtung) eines Säulenabschnitts 58 zwi
schen benachbarten Taschen 56 ebenso wie die Fläche der inneren und äußeren
Kugeloberfläche 52 und 54 des Käfigs 5 abnimmt.
Bei Verwendung von Gleichlaufgelenken in Automobilen und dgl. z. B. an der
Antriebswelle eines Fahrzeugs mit Vorderradantrieb ist ein Gleichlaufgelenk des
Gleittyps an der zum Differential gehörigen Seite und ein Gleichlaufgelenk des
festen Typs an der zum Rad gehörigen Seite angeordnet, und diese beiden Ge
lenke sind mit einer Welle verbunden.
Da das Gleichlaufgelenk des festen Typs mit dem Einschlag des Lenkrades zu
sammenwirkt und die gleiche Bewegung macht wie das mit dem Boden in Kon
takt befindliche Rad, ist es erforderlich, daß das Gleichlaufgelenk des festen
Typs bei einem großen Arbeitswinkel arbeitet. Da das Gleichlaufgelenk des fe
sten Typs bei einem großen Arbeitswinkel rotiert und ein Drehmoment überträgt,
muß es eine hinreichende Steifigkeit, Festigkeit und Dauerhaftigkeit haben.
Aus diesem Grund werden das äußere Gelenkelement 2, das innere Gelenkele
ment 3, die Kugel 4 und der Käfig 5 des Gleichlaufgelenks 1 des festen Typs vor
der Verwendung durch Wärmebehandlung wie Aufkohlen oder Induktionshärten
gehärtet. Normalerweise ist der Käfig 5 das empfindlichste Bauteil des mit einem
hohen Arbeitswinkel arbeitenden Gleichlaufgelenks 1 des festen Typs. Mit Zu
nahme des Arbeitswinkels θ werden der Teil des Abschnitts des Käfigs 5, der
über die kugelige Innenfläche 22 des äußeren Gelenkelements 2 auskragt, sowie
die kugelige Außenfläche des inneren Gelenkelements 3 größer (Fig. 7 und 8),
und die axiale Kraft auf die Kugeln 4 nimmt zu. Die Festigkeit des Käfigs 5
nimmt daher stark ab, wenn der Arbeitswinkel einen hohen Wert annimmt.
Seit einigen Jahren besteht der Wunsch, die Fährleistung von Fahrzeugen zu
verbessern, wobei das meistversprechende Mittel zur Erfüllung dieses Wunsches
in einer Verringerung des Fahrzeugsgewichtes besteht, so daß es auch äußerst
wünschenswert ist, eine leichte kompakte Ausführung des Gleichlaufgelenks
bereitzustellen.
Bei einem leichten und kompakten Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs ist es
unbedingt erforderlich, die Festigkeit des Käfigs 5, bei dem es sich um ein bei
einem großen Arbeitswinkel äußerst empfindliches Bauteil handelt, im höchst
möglichen Umfang zu erhöhen. Als diesbezügliche Maßnahme ist vorgeschlagen
worden, die Festigkeit des Materials z. B. durch Wärmebehandlung zu erhöhen.
In jedem Fall besteht jedoch das Problem steigender Kosten. Eine größere Dicke
des Käfigs 5 wurde die Festigkeit erhöhen; andererseits ist dies unsinnig, da die
Tiefen der Laufbahnnuten des inneren und äußeren Gelenkelements 3 und 2 ab
nehmen würden, was wiederum zu einer Abnahme des zulässigen Lastmomentes
und einer erheblichen Abnahme der Dauerhaftigkeit führt.
Des weiteren ist der am wahrscheinlichsten brechende Bereich des Käfigs 5 der
Säulenabschnitt 58 zwischen benachbarten Taschen 56, die die Kugeln 4 auf
nehmen. Wird deshalb die Breite des Säulenabschnitts 58 vergrößert, nimmt die
Festigkeit zu. Zu diesem Zweck kann eine Verringerung des Kugeldurchmessers
oder ein größerer Teilkreisdurchmesser der Kugeln in Betracht gezogen werden;
beide Maßnahmen sind jedoch nicht geeignet, da die erstgenannte die Dauerhaf
tigkeit des Gelenks mindert und die letztgenannte den Außendurchmesser des
Gelenks vergrößert.
Fig. 12A und 12B zeigen den Einlaßabschnitt der Laufbahnnut 24 des äußeren
Gelenkelements 2 eines herkömmlichen Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs. Der
Einlaßabschnitt der Laufbahnnut 24 wird von einer Kegelfläche 27 geschnitten,
die von einer Welle 36 definiert wird, wenn diese einen maximalen Ar
beitswinkel θ annimmt (siehe Fig. 7 und 8), und das offene Ende der Fläche 26
liegt außerhalb der Kegelfläche 27 einschließlich der Schnittebene des geschnit
tenen Endes der Laufbahnnut.
Soll jedoch eine kompakte Ausführung erzielt werden, z. B. durch Verringern des
Teilkreisdurchmessers der Kugeln 4, ist es besonders bei einer hohen Anzahl von
Kugeln (sieben oder mehr Kugeln) erforderlich, den Einbauwinkel α der Kugeln
4 auf einen kleineren Wert als beim Stand der Technik einzustellen, da eine hin
reichende Breite des Säulenabschnitts 58 des Käfigs 5 gesichert werden muß.
Wird jedoch der Kugeleinbauwinkel α verringert (α1 < α2) wie in Fig. 13A und
13B dargestellt, wird es erforderlich, das offene Ende der Fläche 26 an eine mitt
lere Position in der Schnittebene des geschnittenen Endes der Laufbahnnut der
konischen Fläche 27 zu bringen.
Das bedeutet, das offene Ende der Fläche 26 des äußeren Gelenkelements 2 wird
stärker als beim Stand der Technik nach hinten verschoben (A1 < A2). Das be
deutet, daß die Anordnung mit einer solchen auf eine kompakte Ausführung ge
richteten Form des äußeren Gelenkelements im Vergleich zur herkömmlichen
Anordnung zu einer Verringerung der Festigkeit des äußeren Gelenkelements im
Zusammenhang mit einem großen Arbeitswinkel führt.
Es ist deshalb die Aufgabe dieser Erfindung, die Festigkeit des Käfigs zu erhö
hen, ohne daß dies zu einem Anstieg der Kosten oder einer Minderung der gefor
derten Eigenschaften führt. Die technische Aufgabenstellung ist die Verwirkli
chung der kompakten Ausführung und die Erhöhung der mit einem großen Ar
beitswinkel verbundenen Festigkeit des äußeren Gelenkelements eines Gleich
laufgelenks, insbesondere eines solchen mit einer großen Anzahl von Kugeln.
Ein Gleichlaufgelenk gemäß dieser Erfindung weist folgendes auf: ein äußeres
Gelenkelement mit einer kugeligen Innenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahn
nuten eingeformt ist, ein inneres Gelenkelement mit einer kugeligen Außenflä
che, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten eingeformt ist, zwischen den Lauf
bahnnuten des äußeren und inneren Gelenkelements angeordnete Kugeln und
einen zwischen der kugeligen Innen- und Außenfläche des äußeren und inneren
Gelenkelements angeordneten Käfig mit Taschen zur Aufnahme der Kugeln,
wobei ein Ende jeder der Laufbahnnuten, das in eine Fläche mit offenem Ende
des äußeren Gelenkelements mündet, mit einem Ausschnitt zur Aufnahme der
Kugel ausgebildet ist.
Das heißt, daß gemäß dieser Erfindung die Form des Ende der Laufbahnnut, die
in das große Ende des äußeren Gelenkelements mündet, durch eine erfinderische
Idee so gestaltet wird, daß es möglich ist, die Kugeln ohne Verschiebung der
Fläche mit offenem Ende des äußeren Gelenkelements nach hinten einzubauen,
sondern eher, während die offene Fläche erweitert wird.
Was die konkreten Formen des Ausschnitts betrifft, kann ein kreisförmiger Aus
schnitt über den gesamten Umfang des äußeren Gelenkelements oder ein rillen
förmiger Ausschnitt nur im Grund der Laufbahnnut gebildet werden. Im letztge
nannten Fall kann ein Ausschnitt nur in denjenigen Laufbahnnuten gebildet
werden, für die der Kugeleinbauwinkel des Käfigs auf einen niedrigen Wert be
grenzt ist, wenn Kugeln während des Zusammenbaus des Gelenks eingebaut
werden.
Ist ein rillenförmiger Ausschnitt nur im Grund der Laufbahnnut auszuformen,
dann ist eine kreisförmige oder elliptische Querschnittsform desselben und eine
gerade oder gekrümmte Form des Axialschnitts wünschenswert.
Obwohl der Ausschnitt durch spanende Bearbeitung hergestellt werden kann, ist
ein gleichzeitiges Schmieden des äußeren Gelenkelements kostengünstig und
bietet eine hohe Ausbeute bzw. eine hohe prozentuale wirksame Nutzung des
Materials.
Als andere Form des Ausschnitts kann der axiale Querschnitt der Laufbahnnuten
in der Fläche mit offenem Ende des äußeren Gelenkelements von einem Punkt
außerhalb des zulässigen Arbeitswinkelbereichs des Gelenks aus axial und in
Richtung des Außendurchmessers erweitert werden.
Um die Querschnittsfläche des Säulenabschnitts des Käfigs zu vergrößern, ohne
andere Eigenschaften zu beeinträchtigen, muß die Umfangslänge der Taschen
verringert werden. Diese Umfangslänge hängt von den Anforderungen beim
Zusammenbau des Gleichlaufgelenks ab. Das heißt, beim Zusammenbau des
äußeren Gelenkelements, des inneren Gelenkelements, des Käfigs und der Ku
geln ist für den Einbau der letzten Kugel ein großer Arbeitswinkel (Kugelein
bauwinkel) erforderlich, und eine ausreichend große Umfangslänge ist notwen
dig, um diesen zu ermöglichen.
Nimmt ein Gleichlaufgelenk einen Winkel ein, verschieben sich die Positionen
der einzelnen Kugeln bezüglich der Taschen in Umfangsrichtung entweder vor
wärts oder rückwärts. Je größer der Kugeleinbauwinkel ist, umso größer ist der
Betrag der Verschiebung der Kugeln in Umfangsrichtung. Beim Einbau der letz
ten Kugel führen die an den gegenüberliegenden Seiten der letzten Kugel be
nachbarten beiden Kugeln die größte Verschiebung relativ zu den Taschen aus,
wodurch eine Überschneidung zwischen den Kugeln und den Säulenabschnitten
der Taschen verursacht wird.
Wenn also der Kugeleinbauwinkel für den Einbau der letzten Kugel verringert
werden kann, tritt keine Überschneidung zwischen den beiden benachbarten
Kugeln und den Säulenabschnitten auf, so daß die Umfangslänge der Taschen
verkürzt werden kann, was zu dem Ergebnis führt, daß die Querschnittsfläche des
Säulenabschnitts zunimmt.
Normalerweise ist der Kugeleinbauwinkel um 10 bis 30° größer als der zulässige
Arbeitswinkel des Gelenks. Da es erforderlich ist, den Einbau der Kugeln zu
ermöglichen, muß deshalb die Umfangslänge der Taschen größer sein als dieje
nige Länge, die bei der tatsächlichen Montage und Verwendung des Gleich
laufgelenks in einem Automobil notwendig ist.
Wenn dagegen der Kugeleinbauwinkel verkleinert werden kann, kann die Um
fangslänge der Taschen verkürzt und die Querschnittsfläche des Säulenabschnitts
entsprechend vergrößert werden. Als eine Maßnahme zur Verkleinerung des
Kugeleinbauwinkels wird die einlaßseitige Fläche der Laufbahnnut des äußeren
Gelenkelements, die beim Kugeleinbau stört, radial erweitert.
Da dies bewirkt, daß der Punkt der Kugel, der die Überschneidung mit dem äuße
ren Gelenkelement markiert, von der Fläche mit offenem Ende nach innen wan
dert, ist es möglich, den Kugeleinbauwinkel zu verkleinern, um dadurch die Um
fangslänge der Taschen zu verkürzen und die Querschnittsfläche des Säulen
abschnitts entsprechend zu vergrößern. In dem Fall, in dem der Einlaßabschnitt
der Laufbahnnut auf diese Weise axial erweitert wird, muß ein Punkt außerhalb
des zulässigen Arbeitswinkelbereichs des Gelenks der Ausgangspunkt der Er
weiterung sein.
Die vorliegenden Erfindung ist außerdem anwendbar, wenn die Anzahl der Ku
geln sieben oder mehr, aber auch, wenn sie sechs beträgt. Je größer die Anzahl
der Kugeln, umso deutlicher ist die resultierende Wirkung.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nunmehr anhand der de
taillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben; es zeigen:
Fig. 1A einen teilweisen Längsschnitt eines äußeren Gelenkelements und
eines Käfigs einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 1B eine teilweise Vorderansicht des in Fig. 1A dargestellten äußeren
Gelenkelements;
Fig. 2A einen Längsschnitt ähnlich demjenigen von Fig. 1A einer weiteren
Ausführungsform;
Fig. 2B eine Vorderansicht ähnlich derjenigen von Fig. 1B;
Fig. 3A einen Längsschnitt ahnlich demjenigen von Fig. 1A einer weiteren
Ausführungsform;
Fig. 3B eine Vorderansicht ähnlich derjenigen von Fig. 1B;
Fig. 4A einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 4B, C einen Querschnitt und eine perspektivische Ansicht der Laufbahn
nut eines äußeren Gelenkelements;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse von Dauerverdrehver
suchen unter Schwellbeanspruchung;
Fig. 6A einen Längsschnitt eines Gleichlaufgelenks;
Fig. 6B einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 6A;
Fig. 7 einen Längsschnitt eines Gleichlaufgelenks, wenn dieses einen
maximalen Arbeitswinkel einnimmt;
Fig. 8 einen Längsschnitt eines Gleichlaufgelenks, wenn dieses einen
maximalen Arbeitswinkel einnimmt;
Fig. 9 einen Längsschnitt, der den Prozeß des Einbaus der Kugeln dar
stellt;
Fig. 10 einen Längsschnitt, der den Prozeß des Einbaus eines inneren Ge
lenkelements und eines Käfigs darstellt;
Fig. 11 einen Längsschnitt, der den Prozeß des Einbaus eines mit Käfig
ausgerüsteten inneren Gelenkelements in ein äußeres Gelenkele
ment darstellt;
Fig. 12A einen teilweisen Längsschnitt eines äußeren Gelenkelements und
eines Käfigs mit einem eingeschlossenen Kugeleinbauwinkel α;
Fig. 12B eine teilweise Vorderansicht der Fläche mit offenem Ende des in
Fig. 12A dargestellten äußeren Gelenkelements;
Fig. 13A einen teilweisen Längsschnitt eines äußeren Gelenkelements und
eines Käfigs mit einem eingeschlossenen Kugeleinbauwinkel α;
und
Fig. 13B eine teilweise Vorderansicht der Fläche mit offenem Ende des in
Fig. 13A dargestellten äußeren Gelenkelements.
Zunächst wird die grundlegende Anordnung unter Bezugnahme auf Fig. 6A, 6B,
7 und 8 beschrieben. Ein Gleichlaufgelenk 1 weist ein äußeres Gelenkelement 2,
ein inneres Gelenkelement 3, Kugeln 4 und einen Käfig 5 auf.
Das äußere Gelenkelement 2 weist einen becherförmigen Aufnahmeabschnitt 2a
und einen Achsabschnitt 2b auf, der mit einer der zu koppelnden Wellen zu ver
binden ist. Der Aufnahmeabschnitt 2a hat eine kugelige Innenfläche 22, in der
eine Vielzahl in Umfangsrichtung abstandsgleicher Laufbahnnuten 24 in axialer
Richtung zum äußeren Gelenkelement 2 verlaufen. Die Form der Laufbahnnut 24
im Längsschnitt ist ein Bogen, dessen Krummungsmittelpunkt OA auf der X-Achse
des äußeren Gelenkelements 2 liegt. Das äußere Ende der Laufbahnnut 24
mündet in die Fläche 26 mit offenem Ende des Aufnahmeabschnitts 2a.
Das innere Gelenkelement 3 ist mit der anderen, d. h. einer Welle 36, der beiden
miteinander zu koppelnden Wellen keilverzahnt, und seine kugelige Außenfläche
32 ist mit der gleichen Anzahl Laufbahnnuten 34, die in axialer Richtung des in
neren Gelenkelements 3 verlaufen, ausgeführt wie das äußere Gelenkelement 2
(mit den Laufbahnnuten 24). Die Querschnittsform der Laufbahnnut 34 ist ein
Bogen, dessen Krümmungsmittelpunkt OB auf der Y-Achse des inneren Gelenk
elements 3 liegt.
Die Laufbahnnuten 24 und 34 des äußeren und inneren Gelenkelements 2 und 3
werden gepaart, und eine Kugel 4 wird zwischen den Laufbahnnuten 24, 24 jedes
Paares angeordnet, wodurch zwischen dem inneren und äußeren Gelenkelement
ein Drehmoment übertragen werden kann. Die Querschnittsform der Laufbahn
nuten 24, 34 ist ein Spitzbogen (siehe Fig. 4B), der im Winkelkontakt mit der
Kugel 4 steht.
Wie in Fig. 6A dargestellt, sind die Krümmungsmittelpunkte OA und OB der
Laufbahnnuten 24 und 34 des äußeren und inneren Gelenkelements 2 und 3 zu
gegenüberliegenden Seiten von und abstandsgleich vom gemeinsamen Mittel
punkt O (der der Krümmungsmittelpunkt sowohl der kugeligen Innen- als auch
Außenfläche des äußeren und inneren Gelenkelements ist) versetzt.
Deshalb hat die aus den Laufbahnnuten 24 und 34 jedes Paars bestehende Ku
gellaufbahn eine Keilform, die sich allmählich in axialer Richtung von einer zur
anderen Seite erweitert. Wird mit dem Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs bei
einem Arbeitswinkel θ (Fig. 7 und 8) ein Drehmoment übertragen, wirkt auf die
Kugel 4 eine Axialkraft, die sie vom schmäleren in den breiteren Bereich der
keilförmigen Kugellaufbahn verschiebt.
Diese Axialkraft bewirkt die Positionierung der Kugel 4 in der Ebene P, die
senkrecht zur Halbierenden des Arbeitswinkels θ steht, wodurch die Gleichlauf
eigenschaft zwischen den durch das Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs verbun
denen beiden Wellen sichergestellt wird.
Der Käfig 5 ist zwischen dem äußeren und inneren Gelenkelement 2 und 3 ange
ordnet und hat die Funktion, alle Kugeln 4 stets in der Ebene P zu halten. Der
Käfig 5 weist eine kugelige Außenfläche 52 auf, die in Kontakt mit der kugeligen
Innenfläche 22 des äußeren Gelenkelements 2 steht, und kugelige Innenfläche
54, die mit der kugeligen Außenfläche 32 des inneren Gelenkelements 3 in Kon
takt steht, und Taschen 56 sind in abstandsgleichen Positionen in Umfangsrich
tung im Käfig 5 zur Aufnahme der Kugeln 4 ausgeformt.
Die axiale Abmessung der Tasche 56 im Käfig 5 wird normalerweise so gewählt,
daß die Kugel 4 ein geeignetes Übermaß erhält. Die Umfangslänge der Tasche 56
wird in Anbetracht des Betrags der Verschiebung der Kugel in Umfangsrichtung
während des Einbaus der Kugel, der wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 9
beschrieben wurde, dadurch ermöglicht wird, daß das äußere Gelenkelement 2
und der Käfig 5 relativ zueinander geneigt werden, bis die Tasche 56 am offenen
Ende des äußeren Gelenkelements 2 zur Außenseite weist, so festgelegt, daß die
Kugel 4 nicht mit Preßsitz in der Tasche sitzt. Die Breite des Säulenabschnitts 58
zwischen benachbarten Taschen 56 steht in einer ausgewogenen Beziehung zu
dieser Umfangslänge der Tasche 56.
Die bisher beschriebene Anordnung unterscheidet sich nicht grundsätzlich von
der dem Stand der Technik entsprechenden.
Fig. 1A und 1B bis Fig. 4A, 4B und 4C zeigen Ausführungsformen der vorlie
genden Erfindung, bei denen der Kugeleinbauwinkel α des Käfigs 5 ohne eine
Positionsverschiebung der Fläche mit offenem Ende des äußeren Gelenkelements
2 nach hinten verringert ist (α1 < α2) und der Einbau der Kugel 4 möglich wird.
Fig. 1A und 1B zeigen eine Anordnung, bei der die Fläche 26 mit offenem Ende
des äußeren Gelenkelements 2 gegenüber dem Stand der Technik verlängert ist
(A1 < A3) und ein mit ringförmigen Ausschnitten versehener Abschnitt 28a
(schraffierter Bereich in Fig. 1A) um den gesamten Umfang des äußeren Gelenk
elements 2 ausgeführt ist, um den Einbau der Kugel 4 zu gestatten.
Da der Kugeleinbauwinkel α kleiner ist als beim Stand der Technik (α1 < α2),
kann die Breite des Säulenabschnitts 58 des Käfigs 5 entsprechend vergrößert
werden, wodurch die Festigkeit des Käfigs 5 erhöht wird.
Da außerdem die Fläche 26 mit offenem Ende gegenüber dem Stand der Technik
verlängert wird, erhöht sich die Festigkeit des äußeren Gelenkelements 2 insbe
sondere bei großen Arbeitswinkeln. Da der Ausschnitt 28a gleichzeitig mit dem
Schmieden des äußeren Gelenkelements 2 hergestellt werden kann, ist ein ko
stengünstiges Bearbeitung durch Drehen möglich.
Fig. 2A und 2B zeigen eine Anordnung, bei der der einlaßseitige Laufbahngrund
jeder Laufbahnnut 24 mit einem rillenförmigen Ausschnitt 28b für den Einbau
der Kugel ausgeführt ist, der etwas größer als der Kugeldurchmesser ist.
In diesem Fall wird im Vergleich zu dem Fall, bei dem wie oben beschrieben
Material um den gesamten Umfang entfernt wird, die Festigkeit des äußeren
Gelenkelements weiter erhöht.
Als Bearbeitungsverfahren kann Bohren angewendet werden, um einen zylindri
schen rillenförmigen Ausschnitt 28b jeder Laufbahnnut 24 herzustellen, oder
gleichzeitig mit dem Ausformen einer Laufbahnnut 24 kann Schmieden ange
wendet werden, um einen zylindrischen rillenförmigen Ausschnitt 28b zu bil
den.
Während im erstgenannten Fall durch das Bohren hohe Kosten entstehen, erfolgt
im letztgenannten gleichzeitig das Schmieden des äußeren Gelenkelements 2, so
daß der Vorteil keiner zusätzlichen Kosten und einer guten Materialausbeute
gegeben ist.
Ein Problem beim Ausformen des ausgeschnittenen Abschnitts 28b in Fig. 2A
und 2B durch Schmieden besteht darin, daß der Abschnitt eines dem Verbin
dungsabschnitt zwischen der Laufbahnnut 24 und dem ausgeschnittenen Ab
schnitt 28b entsprechenden Formwerkzeugs dazu neigt, eine konzentrierte Span
nung aufzubauen, die während des Schmiedens wirksam wird, wodurch die Le
bensdauer des Werkzeugs verkürzt würde.
Dementsprechend wird, wie in Fig. 3A und 3B dargestellt, der Verbindungsab
schnitt zwischen der Laufbahnnut 24 und dem ausgeschnittenen Abschnitt 28b
mit einer Fase 29 ausgeführt, und die axiale Form des ausgeschnittenen Ab
schnitts B ändert sich von einer geraden zu einer gekrümmten Form (B kenn
zeichnet den Krümmungsradius), wodurch eine Schmiedeform mit langer Le
bensdauer erzielt wird.
Eine in Fig. 4A bis 4C dargestellte Ausführungsform ist eine Modifikation der
Ausführungsform, bei der das Ende jeder Laufbahnnut 24 mit einem Ausschnitt
28b ausgeführt ist, der für ein Gleichlaufgelenk des in Fig. 8 dargestellten Typs
vorgesehen ist. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Gleichlaufgelenk sind die Ab
schnitte der Laufbahnnuten 24 und 34 des äußeren und inneren Gelenkelements 2
und 3, die zum offenen Ende des Aufnahmeabschnitts 2a des äußeren Gelenke
lements 2 gehören, bezüglich des Gelenkmittelpunktes O eher geradlinig als hin
terschnitten, wodurch ein größerer Arbeitswinkel als bei der in Fig. 7 dargestell
ten Anordnung möglich wird.
Als eine Maßnahme zur Verringerung des Kugeleinbauwinkels α wird das Einla
ßende der Laufbahnnut 24 des äußeren Gelenkelements 2, das beim Einbau der
Kugel 4 stört, radial erweitert (m → m'). Da sich die Kugel 4 dadurch ohne hän
genzubleiben bis zum innersten Bereich der Laufbahnnut 24 bewegen kann, ist es
möglich, den Kugeleinbauwinkel α zu verringern, um die Umfangslänge der
Tasche 56 des Käfigs 5 zu verkürzen und die Querschnittsfläche des Säulenbe
reichs 58 entsprechend zu vergrößern.
In diesem Fall wird eine axiale Position n', die den Ausgangspunkt der Erweite
rung definiert, in einem Punkt festgelegt, der einen Berührungspunkt n zwischen
der Kugel 4 und der Laufbahnnut 24 durchläuft, der in axialer Richtung am wei
testen nach außen wandert, wenn das Gleichlaufgelenk 1 den größten Arbeits
winkel e einnimmt.
Wie aus Fig. 4A und Fig. 4C ersichtlich ist, wird der Schnittpunkt in zwischen
dem offenen Ende der Fläche 26 und der konischen Fläche 27 der Welle 36 im
größten Arbeitswinkel θ zum Punkt m' verschoben.
Das äußere Gelenkelement 2 wird normalerweise durch Schmieden von unle
giertem oder einsatzgehärtetem Stahl, spanende Bearbeitung, Wärmebehandlung
(Induktionshärten, Aufkohlen), Schleifen und Zusammenbauen hergestellt. Die
Laufbahnnuten 24 des äußeren Gelenkelements 2 werden entweder nur durch
Schmieden oder durch spanende Bearbeitung nach dem Schmieden fertiggestellt.
Werden sie nur durch Schmieden fertiggestellt, gestaltet sich dies einfach, und es
entstehen keine zusätzlichen Kosten. Selbstverständlich ist es ebenso einfach, sie
durch spanende Bearbeitung herzustellen.
Bezüglich der Methode, den Kugeleinbauwinkel α zu verkleinern, kann ein Ver
satz des offenen Endes der Fläche 26 des äußeren Gelenkelements 2 nach hinten
in Richtung des innersten Bereichs des Aufnahmeabschnitts 2a in Erwägung
gezogen werden. Da sich dies jedoch dem zum zulässigen Arbeitswinkel gehöri
gen Kontaktpunkt nähert, nimmt die Festigkeit des äußeren Gelenkelements
erheblich ab, wodurch die Leistungsfähigkeit des Gelenks gemindert wird; es
kann also festgestellt werden, daß diese Maßnahme nicht vorteilhaft ist, wie be
reits in Zusammenhang mit Fig. 13A und 13B beschrieben.
Der Zusammenbau des in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Gleich
laufgelenks entspricht dem bei der herkömmlichen Anordnung, die zuvor unter
Bezugnahme auf Fig. 9 bis 11 beschrieben wurde, so daß auf eine Beschreibung
verzichtet wird.
Entsprechend der Erfindung kann die Querschnittsfläche des Säulenbereichs 58
des Käfigs 5 erheblich vergrößert werden, wodurch eine höhere Festigkeit des
Käfigs 5 möglich wird und die radiale Wanddicke um deutlich mehr verringert
werden kann als beim herkömmlichen Käfig; somit kann eine leichte Version
von kompakter Größe eines Gleichlaufgelenks des festen Typs verwirklicht wer
den, bei dem zusätzlich zur kompakten Ausführung Material- und Bearbeitungs
kosten verringert werden.
Des weiteren wird die Festigkeit des äußeren Gelenkelements 2 eines Gleich
laufgelenks des festen Typs gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht. Die Er
gebnisse der Prüfungen, die den Nachweis dafür erbrachten, sind in Tab. 1 und
Fig. 5 dargestellt.
Tabelle 1 zeigt die Berechnungsergebnisse der FEM-Analyse (Finite-Elemen
te-Methode) mit einem acht Kugeln aufweisenden äußeren BJ-Gelenkelement.
Die Ergebnisse zeigen, daß bei Annahme von 100 für die maximale Hauptspan
nung bei der herkömmlichen Anordnung nach Fig. 13A und 13B diese bei der in
Fig. 1A und 1B dargestellten Ausführungsform mit einem ringförmigen Aus
schnitt 77 und bei der in Fig. 2A und 2B dargestellten Ausführungsform mit
einem rillenförmigen Ausschnitt 66 beträgt, womit eine Spannungsverringerung
von 20% oder mehr erzielt worden ist. In jedem Fall tritt in derjenigen Laufbahn,
deren Kugel sich der offenen Fläche am nächsten befindet, bei einem Arbeits
winkel θ von 40° die maximale Spannung auf.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse eines Dauerverdrehversuchs
unter Schwellbeanspruchung bei einem Arbeitswinkel θ = 40° mit einem
Gleichlaufgelenk des festen Typs mit acht Kugeln.
Entlang der senkrechten Achse ist das Lastmoment und entlang der waagrechten
Achse die Anzahl der Wiederholungen aufgetragen. Die Graphik zeigt die Er
gebnisse der Messungen nach der jeweiligen Anzahl von Wiederholungen bis
zum Eintritt der Beschädigung für verschiedene Lastmomentwerte.
Der Typ der Beschädigung ist in jedem Fall Rißbildung ausgehend in der Nähe
des Einlasses in den Laufbahngrund im äußeren Gelenkelement.
In der Figur repräsentiert die gestrichelte Linie den Stand der Technik nach Fig.
13A und 13B, die strichpunktierte Linie entspricht der Ausführungsform nach
Fig. 1A und 1B mit einem ringförmigen Ausschnitt und die durchgezogene Linie
entspricht der Ausführungsform nach Fig. 2A und 2B mit einem rillenförmigen
Ausschnitt. Wie ersichtlich ist, verbessert die vorliegende Erfindung die Dauerfe
stigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erheblich.
Claims (8)
1. Gleichlaufgelenk, gekennzeichnet durch ein äußeres Gelenkelement (2) mit
einer kugeligen Innenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten (24) einge
formt ist,
ein inneres Gelenkelement (3) mit einer kugeligen Außenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten (34) eingeformt ist,
zwischen den Laufbahnnuten (24, 34) des äußeren und inneren Gelenkele ments (2, 3) angeordnete Kugeln (4) und einen zwischen der kugeligen Innen- und Außenfläche des äußeren und inneren Gelenkelements (2, 3) angeordne ten Käfig (5) mit Taschen (56) zur Aufnahme der Kugeln (4),
wobei ein Ende jeder der Laufbahnnuten, das in eine Fläche (26) mit offenem Ende des äußeren Gelenkelements (2) mündet, mit einem Ausschnitt zur Auf nahme der Kugel (4) ausgebildet ist.
ein inneres Gelenkelement (3) mit einer kugeligen Außenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten (34) eingeformt ist,
zwischen den Laufbahnnuten (24, 34) des äußeren und inneren Gelenkele ments (2, 3) angeordnete Kugeln (4) und einen zwischen der kugeligen Innen- und Außenfläche des äußeren und inneren Gelenkelements (2, 3) angeordne ten Käfig (5) mit Taschen (56) zur Aufnahme der Kugeln (4),
wobei ein Ende jeder der Laufbahnnuten, das in eine Fläche (26) mit offenem Ende des äußeren Gelenkelements (2) mündet, mit einem Ausschnitt zur Auf nahme der Kugel (4) ausgebildet ist.
2. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ring
förmiger Ausschnitt (28a) um den gesamten Umfang des äußeren Gelenk
elements (2) vorgesehen ist.
3. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein rillen
förmiger Ausschnitt (28b) nur im Grund der Laufbahnnut (24) vorgesehen ist.
4. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus
schnitt nur in denjenigen Laufbahnnuten (24) vorgesehen ist, für die der Ku
geleinbauwinkel (α) des Käfigs (5) auf einen niedrigen Wert wenn Kugeln (4)
während des Zusammenbaus des Gelenks eingebracht werden.
5. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Querschnittsform des Ausschnitts kreisförmig oder elliptisch ist.
6. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Querschnittsform in axialer Richtung des Ausschnitts gerade oder bogenför
mig ist.
7. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Ausschnitt durch Schmieden geformt wird.
8. Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer
schnittsform in axialer Richtung der Laufbahnnuten (24) in der Fläche (26)
mit offenem Ende des äußeren Gelenkelements (2) ausgehend von einem
Punkt außerhalb des zulässigen Arbeitswinkelbereichs des Gelenks axial und
in Richtung des Außendurchmessers erweitert wird.
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Representative=s name: GRUENECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & SCHWANHAEUSSER, |
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Effective date: 20120901 |
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