DE19843632B4

DE19843632B4 - Gleichlaufgelenk

Info

Publication number: DE19843632B4
Application number: DE19843632A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Sone; Akira Wakita; Shogo Okada; Kahuhiko Yoshida
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: DE19843632A1; US6135891A; JPH11101256A; DE19843632B8

Abstract

Gleichlaufgelenk, aufweisend ein äußeres Gelenkelement (2) mit einer kugeligen Innenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten (24) eingeformt 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 Gelenkelements (2, 3) angeordnete Kugeln (4) und einen zwischen der kugeligen Innen- und Außenfläche des äußeren und inneren Gelenkelements (2, 3) angeordneten Käfig (5) mit Taschen (56) zur Aufnahme der Kugeln (4), dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Kugeleinbauwinkels bei möglichst geringer Umfangslänge der Taschen (56) ein Ende jeder der Laufbahnnuten, die in eine Fläche (26) am offenen Ende des äußeren Gelenkelements (2) münden, mit einem Ausschnitt (28a, 28b) zur Aufnahme der Kugel (4) ausgebildet ist.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk, das in den Kraftübertragungssystemen 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 Abtriebsseiten einnehmen, ausgeführt ist. Insbesondere betrifft sie ein Gleichlaufgelenk ohne axiales Verschieben (Tauchen) des sog, festen Typs und speziell Verbesserungen der Form des Endes einer Laufbahnnut, die in die größere Endfläche eines äußeren Gelenkelements mündet.
Wie in 6A, 6B und 8 dargestellt, weist ein Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs ein äußeres Gelenkelement 2 mit in seiner kugeligen Innenfläche 22 ausgeformten 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 Taschen 56 zur Aufnahme der Kugeln 4 versehen ist, auf.
Bei dem Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs wie in 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 Gelenkelement 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 Gelenkelements 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 10 dargestellt durch Neigen des inneren Gelenkelements 3 und des Käfigs 5 um 90°, Einführen des inneren Gelenkelements 3 in den Käfig 5, relatives Drehen der beiden Teile um 90° in die Richtung, 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 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 (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 9 dargestellt eingebaut werden (dieser Winkel wird als Kugeleinbauwinkel bezeichnet), und es ist erforderlich, die Umfangslänge der Taschen 56 auf Basis des Betrags der zu diesem Zeitpunkt ausgeführten Bewegung der Kugeln 4 zu bestimmen.
Deshalb besteht eine Beziehung der Art, daß mit Zunahme des Kugeleinbauwinkels die Breite (Abmessung in Umfangsrichtung) eines Säulenabschnitts 58 zwischen 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 Gelenke sind mit einer Welle verbunden.
Da das Gleichlaufgelenk des festen Typs mit dem Einschlag des Lenkrades zusammenwirkt und die gleiche Bewegung macht wie das mit dem Boden in Kontakt befindliche Rad, ist es erforderlich, daß das Gleichlaufgelenk des festen Typs bei einem großen Arbeitswinkel arbeitet. Da das Gleichlaufgelenk des festen 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 Gelenkelement 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 Zunahme 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 (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 Fahrleistung 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 höchstmöglichen 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 würde die Festigkeit erhöhen; andererseits ist dies unsinnig, da die Tiefen der Laufbahnnuten des inneren und äußeren Gelenkelements 3 und 2 abnehmen 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 aufnehmen. 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 Dauerhaftigkeit des Gelenks mindert und die letztgenannte den Außendurchmesser des Gelenks vergrößert.
12A und 12B zeigen den Einlaßabschnitt der Laufbahnnut 24 des äußeren Gelenkelements 2 eines herkömmlichen Gleichlaufgelenks 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 Arbeitswinkel θ annimmt (siehe 7 und 8), und das offene Ende der Fläche 26 liegt außerhalb der Kegelfläche 27 einschließlich der Schnittebene des geschnittenen 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 hinreichende Breite des Säulenabschnitts 58 des Käfigs 5 gesichert werden muß.
Wird jedoch der Kugeleinbauwinkel α verringert (α₁ > α₂) wie in 13A und 13B dargestellt, wird es erforderlich, das offene Ende der Fläche 26 an eine mittlere 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 bedeutet, daß die Anordnung mit einer solchen auf eine kompakte Ausführung gerichteten Form des äußeren Gelenkelements im Vergleich zur herkömmlichen Anordnung zu einer Verringerung der Festigkeit des äußeren Gelenkelements im Zusammenhang mit einem großen Arbeitswinkel führt.
Aus der dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechenden DE 697 03 632 T2 ist ein homokinetisches Kugelgelenk bekannt, das eine Glocke mit einer eine Vielzahl von Nuten aufweisenden sphärischen Innenfläche, einen inneren Kern mit einer eine Vielzahl von Nuten aufweisenden sphärischen Außenfläche und einen mit Aussparungen versehenen Käfig aufweist, wobei in den Aussparungen des Käfigs Kugeln angeordnet sind, die sowohl in die Nuten der Glocke als auch die Nuten des inneren Kerns eingreifen. Jede Nut der Glocke weist an seinem stirnseitigen Ende eine Schräge auf.
Aus der DE 25 56 608 A1 ist ein homokinetisches Gelenk mit einem äußeren Körper, einem inneren Körper und einem dazwischen angeordneten Käfig bekannt. Der Käfig weist Schlitze auf, in denen Kugeln angeordnet sind, die sowohl in Hohlkehlen des äußeren Körpers als auch Hohlkehlen des inneren Körpers eingreifen. Eine Ausnehmung am stirnseitigen Ende des äußeren Körpers ist außerhalb der Hohlkehlen angeordnet
Es ist deshalb die Aufgabe dieser Erfindung, die Festigkeit des Käfigs zu erhöhen, ohne daß dies zu einem Anstieg der Kosten oder einer Minderung der geforderten Eigenschaften führt. Die technische Aufgabenstellung ist die Verwirklichung der kompakten Ausführung und die Erhöhung der mit einem großen Arbeitswinkel verbundenen Festigkeit des äußeren Gelenkelements eines Gleichlaufgelenks, 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 Laufbahnnuten eingeformt ist, ein inneres Gelenkelement mit einer kugeligen Außenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten eingeformt ist, zwischen den Laufbahnnuten 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 Ausschnitt über den gesamten Umfang des äußeren Gelenkelements oder ein rillenförmiger Ausschnitt nur im Grund der Laufbahnnut gebildet werden. Im letztgenannten Fall kann ein Abusschnitt nur in denjenigen Laufbahnnuten gebildet werden, für die der Kugeleinbauwinkel des Käfigs auf einen niedrigen Wert begrenzt 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 Kugeln ist für den Einbau der letzten Kugel ein großer Arbeitswinkel (Kugeleinbauwinkel) erforderlich, und eine ausreichend große Umfangslänge ist notwendig, um diesen zu ermöglichen.
Nimmt ein Gleichlaufgelenk einen Winkel ein, verschieben sich die Positionen der einzelnen Kugeln bezüglich der Taschen in Umfangsrichtung entweder vorwärts oder rückwärts. Je größer der Kugeleinbauwinkel ist, umso größer ist der Betrag der Verschiebung der Kugeln in Umfangsrichtung. Beim Einbau der letzten Kugel führen die an den gegenüberliegenden Seiten der letzten Kugel benachbarten 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 diejenige Länge, die bei der tatsächlichen Montage und Verwendung des Gleichlaufgelenks in einem Automobil notwendig ist.
Wenn dagegen der Kugeleinbauwinkel verkleinert werden kann, kann die Umfangslänge 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 äußeren Gelenkelement markiert, von der Fläche mit offenem Ende nach innen wandert, ist es möglich, den Kugeleinbauwinkel zu verkleinern, um dadurch die Umfangslänge der Taschen zu verkürzen und die Querschnittsfläche des Säulenabschnitts 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 Erweiterung sein.
Die vorliegenden Erfindung ist außerdem anwendbar, wenn die Anzahl der Kugeln 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 detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
1A einen teilweisen Längsschnitt eines äußeren Gelenkelements und eines Käfigs einer Ausführungsform der Erfindung;
1B eine teilweise Vorderansicht des in 1A dargestellten äußeren Gelenkelements;
2A einen Längsschnitt ähnlich demjenigen von 1A einer weiteren Ausführungsform;
2B eine Vorderansicht ähnlich derjenigen von 1B;
3A einen Längsschnitt ähnlich demjenigen von 1A einer weiteren Ausführungsform;
3B eine Vorderansicht ähnlich derjenigen von 1B;
4A einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform;
4B, C einen Querschnitt und eine perspektivische Ansicht der Laufbahnnut eines äußeren Gelenkelements;
5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse von Dauerverdrehversuchen unter Schwellbeanspruchung;
6A einen Längsschnitt eines Gleichlaufgelenks;
6B einen Schnitt entlang der Linie B-B in 6A;
7 einen Längsschnitt eines Gleichlaufgelenks, wenn dieses einen maximalen Arbeitswinkel einnimmt;
8 einen Längsschnitt eines Gleichlaufgelenks, wenn dieses einen maximalen Arbeitswinkel einnimmt;
9 einen Längsschnitt, der den Prozeß des Einbaus der Kugeln darstellt;
10 einen Längsschnitt, der den Prozeß des Einbaus eines inneren Gelenkelements und eines Käfigs darstellt;
11 einen Längsschnitt, der den Prozeß des Einbaus eines mit Käfig ausgerüsteten inneren Gelenkelements in ein äußeres Gelenkelement darstellt;
12A einen teilweisen Längsschnitt eines äußeren Gelenkelements und eines Käfigs mit einem eingeschlossenen Kugeleinbauwinkel α;
12B eine teilweise Vorderansicht der Fläche mit offenem Ende des in 12A dargestellten äußeren Gelenkelements;
13A einen teilweisen Längsschnitt eines äußeren Gelenkelements und eines Käfigs mit einem eingeschlossenen Kugeleinbauwinkel α; und
13B eine teilweise Vorderansicht der Fläche mit offenem Ende des in 13A dargestellten äußeren Gelenkelements.
Zunächst wird die grundlegende Anordnung unter Bezugnahme auf 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 verbinden 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 Krümmungsmittelpunkt 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 inneren 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 Gelenkelements 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 Laufbahnnuten 24, 34 ist ein Spitzbogen (siehe 4B), der im Winkelkontakt mit der Kugel 4 steht.
Wie in 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 Mittelpunkt 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 Kugellaufbahn 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 (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 Gleichlaufeigenschaft zwischen den durch das Gleichlaufgelenk 1 des festen Typs verbundenen beiden Wellen sichergestellt wird.
Der Käfig 5 ist zwischen dem äußeren und inneren Gelenkelement 2 und 3 angeordnet 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 Kontakt steht, und Taschen 56 sind in abstandsgleichen Positionen in Umfangsrichtung 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 9 beschrieben wurde, dadurch ermögicht 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.
1A und 1B bis 4A, 4B und 4C zeigen Ausführungsformen der vorliegenden 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.
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 1A) um den gesamten Umfang des äußeren Gelenkelements 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 insbesondere bei großen Arbeitswinkeln. Da der Ausschnitt 28a gleichzeitig mit dem Schmieden des äußeren Gelenkelements 2 hergestellt werden kann, ist ein kostengünstiges Bearbeitung durch Drehen möglich.
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 zylindrischen rillenförmigen Ausschnitt 28b jeder Laufbahnnut 24 herzustellen, oder gleichzeitig mit dem Ausformen einer Laufbahnnut 24 kann Schmieden angewendet werden, um einen zylindrischen rillenförmigen Abusschnitt 28b zu bilden.
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 2A und 2B durch Schmieden besteht darin, daß der Abschnitt eines dem Verbindungsabschnitt zwischen der Laufbahnnut 24 und dem ausgeschnittenen Abschnitt 28b entsprechenden Formwerkzeugs dazu neigt, eine konzentrierte Spannung aufzubauen, die während des Schmiedens wirksam wird, wodurch die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzt würde.
Dementsprechend wird, wie in 3A und 3B dargestellt, der Verbindungsabschnitt zwischen der Laufbahnnut 24 und dem ausgeschnittenen Abschnitt 28b mit einer Fase 29 ausgeführt, und die axiale Form des ausgeschnittenen Abschnitts B ändert sich von einer geraden zu einer gekrümmten Form (B kennzeichnet den Krümmungsradius), wodurch eine Schmiedeform mit langer Lebensdauer erzielt wird.
Eine in 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 8 dargestellten Typs vorgesehen ist. Bei dem in 8 dargestellten Gleichlaufgelenk sind die Abschnitte der Laufbahnnuten 24 und 34 des äußeren und inneren Gelenkelements 2 und 3, die zum offenen Ende des Aufnahmeabschnitts 2a des äußeren Gelenkelements 2 gehören, bezüglich des Gelenkmittelpunktes O eher geradlinig als hinterschnitten, wodurch ein gröberer Arbeitswinkel als bei der in 7 dargestellten Anordnung möglich wird.
Als eine Maßnahme zur Verringerung des Kugeleinbauwinkels α wird das Einlaßende 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 hängenzubleiben 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 Säulenbereichs 58 entsprechend zu vergrößern.
In diesem Fall wird eine axiale Position n', die den Ausgangspunkt der Erweiterung definiert, in einem Punkt festgelegt, der einen Berührungspunkt n zwischen der Kugel 4 und der Laufbahnnut 24 durchläuft, der in axialer Richtung am weitesten nach außen wandert, wenn das Gleichlaufgelenk 1 den größten Arbeitswinkel θ einnimmt.
Wie aus 4A und 4C ersichtlich ist, wird der Schnittpunkt m zwischen dem offenen Ende der Fläche 26 und der konischen Flache 27 der Welle 36 im größten Arbeitswinkel θ zum Punkt m' verschoben.
Das äußere Gelenkelement 2 wird normalerweise durch Schmieden von unlegiertem oder einsatzgehärtetem Stahl, spanende Bearbeitung, Wärmebehandlung (Induktionshärten, Aufkohlen), Schleifen und Zusammenbauen hergestellt. Die Laufbahnnuten 24 des äußeren Gelenkelements 2 werden entweder nur durch Schieden 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 Versatz 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 gehörigen 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 bereits in Zusammenhang mit 13A und 13B beschrieben.
Der Zusammenbau des in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Gleichlaufgelenks entspricht dem bei der herkömmlichen Anordnung, die zuvor unter Bezugnahme auf 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 werden, bei dem zusätzlich zur kompakten Ausführung Material- und Bearbeitungskosten verringert werden.
Des weiteren wird die Festigkeit des äußeren Gelenkelements 2 eines Gleichlaufgelenks des festen Typs gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht. Die Ergebnisse der Prüfungen, die den Nachweis dafür erbrachten, sind in Tab. 1 und 5 dargestellt.
Tabelle 1 zeigt die Berechnungsergebnisse der FEM-Analyse (Finite-Elemente-Methode) mit einem acht Kugeln aufweisenden äußeren BJ-Gelenkelement.
Die Ergebnisse zeigen, daß bei Annahme von 100 für die maximale Hauptspannung bei der herkömmlichen Anordnung nach 13A und 13B diese bei der in 1A und 1B dargestellten Ausführungsform mit einem ringförmigen Ausschnitt 77 und bei der in 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 Arbeitswinkel θ von 40° die maximale Spannung auf. Tabelle 1

Form Entsprechende Figur Max. Hauptspannungsverhältnis

Stand der Technik 13A und 13B 100

Ringförmiger Ausschnitt 1A und 1B 77

Rillenförmiger Ausschnitt 2A und 2B 66
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 Ergebnisse 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 13A und 13B, die strichpunktierte Linie entspricht der Ausführungsform nach 1A und 1B mit einem ringförmigen Ausschnitt und die durchgezogene Linie entspricht der Ausführungsform nach 2A und 2B mit einem rillenförmigen Ausschnitt. Wie ersichtlich ist, verbessert die vorliegende Erfindung die Dauerfestigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erheblich.

Claims

Gleichlaufgelenk, aufweisend ein äußeres Gelenkelement (2) mit einer kugeligen Innenfläche, in die eine Vielzahl Laufbahnnuten (24) eingeformt 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 Gelenkelements (2, 3) angeordnete Kugeln (4) und einen zwischen der kugeligen Innen- und Außenfläche des äußeren und inneren Gelenkelements (2, 3) angeordneten Käfig (5) mit Taschen (56) zur Aufnahme der Kugeln (4), dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Kugeleinbauwinkels bei möglichst geringer Umfangslänge der Taschen (56) ein Ende jeder der Laufbahnnuten, die in eine Fläche (26) am offenen Ende des äußeren Gelenkelements (2) münden, mit einem Ausschnitt (28a, 28b) zur Aufnahme der Kugel (4) ausgebildet ist.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Ausschnitt (28a) um den gesamten Umfang des äußeren Gelenkelements (2) vorgesehen ist.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein rillenförmiger Ausschnitt (28b) nur im Grund der Laufbahnnut (24) vorgesehen ist.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt nur in denjenigen Laufbahnnuten (24) vorgesehen ist, für die der Kugeleinbauwinkel (α) des Käfigs (5) auf einen niedrigen Wert begrenzt ist, wenn die Kugeln (4) während des Zusammenbaus des Gelenks eingebracht werden.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des Ausschnitts (28b) kreisförmig oder elliptisch ist,
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform in axialer Richtung des Ausschnitts (28b) gerade oder bogenförmig ist.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt (28a, 28b) durch Schmieden geformt wird.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform 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.