DE2429834A1 - Wellengelenk - Google Patents

Description

PatenlsnvvSiic Oipl.-ing. A. Grünecker

Dr.-!ng. H. Kfn.ka'dey . ■

Dr.-}ng. V/. Steckmair S Manchen 22, MaximHianstr 43 2 Λ 2 9 8 3 /*

DR. K. SCHUMANN - DIPL.-ING. P. JAKO3

• .21. Juni 1974

NISSAN MOTOR COMPAITY Limited

Wo.2 Takara-machi, Kanagawa-Ku Yokohama City / Japan"

Wellenqelenk

Die Erfindung betrifft allgemein ein Wellengelenk und insbesondere ein Gleichganggelenk, d.h. ein Wellengelenk, bei dem ein Drehmoment mit ständig konstanter Winkelgeschwindigkeit von einer Eingangswelle auf eine Ausgangswelle über einen veränderbaren Winkel übertragen wird, mit kraftübertragenden Kugeln, die bewegbar in Eingriff mit entsprechenden Rillen in einem äußeren und einem inneren Glied des Wellengelenks stehen.

Es ist bereits bei einem Kugelwellengelenk, das eine zyklische Regelmäßigkeit der übertragenen Bewegung ergibt, vorgeschlagen worden,die Kugeln zwangsweise in Rillen sowohl im äußeren als auch inneren Glied so zu führen, daß dann, wenn diese zwei Glieder relativ zueinander geneigt bzw. gekippt sind, die Ebene der Kugeln in der Mitte des Kippwinkels liegt. Auf diese Weise wird

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für dauernden Kontakt zwischen den Kugeln und den Rillen des äußeren und des inneren Gliedes bei allen Kippwinkeln gesorgt, und die übertragung des Drehmoments und der Bewegung von der Eingangswelle zur Ausgangswelle des Gelenkes erfolgt stoßfrei und gleichförmig. Um diesen vollständigen Kontakt der Kugeln aufrechtzuerhalten, müssen die Rillen jedoch in Längsrichtung kreis- oder bogenförmig ausgebildet sein, so daß sich die Kugeln dann, wenn sie ihre-Mittellage bzw. Lage in der Mitte einnehmen, in einem Bogen um den theoretischen Mittelpunkt der auftretenden Kippbewegung bewegen.

Bei einem anderen, herkömmlich ausgebildeten Kugelwellengelenk sind das äußere und das innere Glied mit mehreren in Längsrichtung geraden, in Axialrichtung parallelen Rillen versehen, und die Kugeln, sind in den entsprechenden Rillen des äußeren und inneren Gliedes angeordnet. Obwohl diese Kugelwellengelenkbauart eine wirtschaftliche maschinelle Herstellung der geraden Rillen ermöglicht, ist die Auslenkbarkeit des Gelenkes auf einen engen Bereich begrenzt, da die Rillen kurz sind.

Bei einer weiteren, herkömmlichen Konstruktion sind das äußere und das innere Glied mit mehreren, gleichen Abstand voneinander aufweisenden, teilweise schraubenförmigen Rillen versehen, wobei die Längsachsen der Rillen im äußeren Glied die Achsen der Rillen im inneren Glied schneiden. Obwohl diese Bauart den Einsatz normaler Werkzeugmaschinen zur Herstellung der schraubenförmigen Rillenabschnitte im äußeren Glied ermöglicht, das später an einer Welle befestigt wird, verursacht der Aufbau aus den zwei getrennten Teilen Nachteile hinsichtlich des mechanischen Aufbaus, der es nicht ermöglicht, große Drehmomente von einem Glied des Gelenkes zum anderen zu übertragen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Wellengelenk zu schaffen, das die Benutzung üblicher Werkzeugmaschinen ermöglicht und zugleich mechanische Festigkeit des äußeren Gliedes sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein äußeres Glied mit in Umfangsrichtung im gleichen Abstand angeordneten schrägen Rillen auf seiner Innenfläche, ein inneres Glied, das innerhalb des äußeren Gliedes angeordnet werden kann und in ümfangsrichtung im gleichen Abstand angeordnete schräge Rillen auf seiner Außenfläche aufweist, deren Anzahl der Anzahl der Rillen im äußeren Glied gleicht, mehrere kraftübertragende Kugeln, die bewegbar mit den entsprechenden Rillen der Glieder in Eingriff stehen und dazu dienen, ein * Drehmoment von einem der Glieder zum anderen zu übertragen, einen Kugelkäfig, der zwischen dem inneren und dem äußeren Glied angeordnet werden kann und der die Kugeln in einer ersten Ebene hält, die den von den Achsen der Glieder gebildeten stumpfen Winkel halbiert, wobei die Achse einer jeden Rille im äußeren Glied in einer zweiten, zur Achse des äußeren Gliedes parallelen Ebene gegenüber der Achse des äußeren Gliedes um einen ersten Winkel geneigt ist und ferner in einer zur zweiten Ebene senkrechten, dritten Ebene gegenüber der.Achse des äußeren Gliedes um einen zweiten Winkel geneigt ist und wobei die Achse jeder Rille im inneren Glied bezüglich der ersten Ebene zur Achse der entsprechenden Rille im äußeren Glied symmetrisch verläuft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein geometrisches Schaubild der Rillen im

äußeren und inneren Glied eines erfxndungsgemäßen Wellengelenkes, wobei die Achsen der
Rillen spiegelbildlich und symmetrisch zueinander geneigt sind und ein Paar Hyperboloide
bilden, wenn die Achsen um die koaxial ausgerichteten Achsen des Gelenkes gedreht werden?

Fig. 2 ein geometrisches Schaubild einer der schrägen

Rillen, die in sich senkrecht schneidenden Ebenen geneigt zur Achse des Gelenkes verläuft?

Fig. 3 ein geometrisches Schaubild der Rillen, wobei deren geometrische Orte ein Paar verformter
Hyperboloide erzeugen, wenn sich die zwei Achsen des Gelenkes unter einem bestimmten Kippwinkel schneidenτ

Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt, eines Wellengelenkes, bei dem das erfindungsgemäße, in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Prinzip verwirklicht ist;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch das äußere Glied des Gelenkes nach V-V in Fig. 4, wobei das innere Glied entfernt ist:

Fig. 6 eine Seitenansicht des inneren Gliedes des Gelenkes bei Betrachtung aus Richtung VI-VI in Fig. 4; und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Kugelkäfigs des erfxndungsgemäßen Gelenkes.

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Erfindungsgemäß wird ein Wellengelenk vorgeschlagen, das umfaßt ein äußeres Glied mit in Umfangsrichtung im gleichen Abstand angeordneten schrägen Rillen auf seiner Innenfläche, ein inneres Glied, das in Umfangsrichtung im gleichen Abstand angeordnete'schräge Rillen auf seiner Außenfläche aufweist, deren Anzahl der Anzahl der Rillen im äußeren Glied gleicht, mehree kraftübertragende Kugeln, die bewegbar mit den entsprechenden Rillen des inneren und äußeren Gliedes in Eingriff stehen und dazu dienen, ein Drehmoment von einem der Glieder zum anderen zu übertragen, einen Kugelkäfig, der die Kugeln in einer ersten Ebene hält, die den von den Achsen des äußeren und inneren Gliedes gebildeten stumpfen Winkel halbiert, wobei die Achse einer jeden Rille im äußeren Glied in einer zweiten, zur Achse des äußeren Gliedes parallelen Ebene gegenüber der Achse des äußeren Gliedes um einen ersten Winkel geneigt ist und ferner in einer zur zweiten Ebene senkrechten, dritten Ebene gegenüber der Achse des äußeren Gliedes um einen zweiten Winkel geneigt ist und wobei die Achse jeder Rille im inneren Glied bezüglich der ersten Ebene zur Achse der entsprechenden Rille im äußeren -Glied symmetrisch verläyft.

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Im folgenden wird zunächst insbesondere auf die Figuren 1 bis 3 eingegangen. In diesen Figuren ist die symmetrische Anordnung der Rillen im äußeren bzw. inneren Führungsglied dargestellt. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und die Achsen eines Wellengelenkes, wobei sich diese mit einer Z-Achse decken, die die X-Achse und Y-Achse im Ursprung 0 unter rechten Winkeln schneidet. Die X-Y-Ebene ist eine gemeinsame Ebene 3, die den stumpfen Winkel halbiert, den die Achsen 1 und 2 bilden. Es wird eine Gerade 4 betrachtet, die räumlich relativ zur Z-Achse geneigt ist. Bezüglich der gemeinsamen Halbxerungsebene 3 verläuft eine Gerade 5 symmetrisch zur Geraden 4, wobei die Gerade 5 die Gerade 4 im Punkt 8 in der Ebene 3 schneidet. Eine Drehung der Geraden um die Achse 1 erzeugt ein Hyperboloid 9, und eine Drehung der Geraden 5 um die Achse 2 erzeugt ein Hyperboloid 10, wobei die gemeinsame Ebene 3 in der Schnittebene der zwei Hyperboloide liegt. Ais Gründen der Einfachheit wird angenommen, daß der Punkt 8 auf der X-Achse liegt. Dann verläuft die Gerade 4 in einer Richtung, die bzw. deren Projektion in einer zur Y-Z-Ebene parallelen Ebene unter einem Winkel α gegenüber einer parallel zur Z-Achse verlaufenden Geraden geneigt ist und ferner in einer zur X-Z-Ebene parallelen Ebene um einen Winkel ß gegenüber der Geraden 11 geneigt ist (Fig. 2). Daher verläuft die Gerade 4 gegenüber der Geraden um einen Winkel y geneigt, der der resultierende Winkel aus α und ß ist. Eine Gerade 4¹ in der gemeinsamen Ebene 3 ist die Projektion der geneigten Geraden 4 und schließt einen Winkel 6 mit der X-Achse ein. Die Bezugsachse ra₍auf der sich die Geraden 4 und 5 im Punkt 8 schneiden, ist um einen Winkel "to gegenüber der X-Achse geneigt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Somit wird der Abstand eines Punktes auf der Projektion 4¹ vom Ursprung 0 durch folgende Gleichung wiedergegeben:

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cos θ + sin θ cot (£ - YJ )

r = r — - (D

tan ( 6 - \ ) sin (^ + θ) + cos ( Yj +θ)

Darin ist r der Abstand zwischen dem Punkt 8 und dem ο

Ursprung O. Somit wird ein Punkt auf der Geraden 4 durch folgende Vektorgleichung beschrieben:

rT, = r cos (V7 + 9)i + r sin (Y| + Θ) j + r sin θ cot a.k (2)

Darin sind i, j und k die Einheitvektoren in Richtung der X-Achse bzw. Y-Achse bzw. Z-Achse.

Da die Gerade 5 symmetrisch zur Geraden 4 verläuft, kann ein Punkt auf der Geraden 5 durch folgende Vektorgleichung beschrieben werden:

R₂ = r cos (ti + Θ) i + r sin (¹D + Θ) j - r sin θ cot a.k (3)

Wem die zwei Achsen 1 und 2 um die X-Achse in entgegengesetzten Richtungen so gekippt sind, daß sie mit der Z-Achse einen Winkel ψ einschließen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, halbiert die gemeinsame Ebene 3 auch den von den gekippten Achsen 1 und 2 gebildeten stumpfen Winkel, wobei die Geraden 4 und 5 entsprechend gekippt sind. In diesem Neigungszustand kann die Gerade 4 wie folgt beschrieben werden:

= r cos ([^ + Θ) i

+ £ r sin (tj + Θ) cos ψ + r sin ö.tan α.sin f J j

■+ ^-r sin (I^ + Θ) sin'/' + r sin G.tan α.cos */*} k (4)

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Entsprechend kann die Gerade 5 durch folgende Gleichung beschrieben werden:

ϊΓ₂ ' = r cos (/£ + θ) i

+ £r sin (% + Q) cos f + r sin G.tan a. sin ©j j

- f-r sin (^ + Θ) sinf + r sin Ö.tan α. cos )P] k (5)

Aus der obigen Ableitung ergibt sich, daß die Punkte auf den zwei geneigten Geraden 4 und 5 bei gekippten Achsen relativ zur gemeinsamen Halbierungsebene 3 symmetrisch zueinander liegen. Wenn eine kraftübertragende Kugel so angeordnet wird, daß sich der Kugelmittelpunkt am Schnittpunkt der zwei geneigten Geraden 4 und 5 auf der Peripherie, der gemeinsamen Halbierungsebene 3 befindet, so daß der geometrische Ort des Kugelmittelpunktes der Umfangslinie folgt, wenn die zwei Achsen 1 und 2 um ihre jeweiligen Achsen gedreht werden, ist es möglich, ein Wellengelenk zu realisieren.

In Fig. 4 ist ein erfxndungsgemäßes Wellengelenk dargestellt. Dieses umfaßt eine Welle 13a, deren Längsachse sich mit der Achse 1 in Fig. 1 deckt, ein äußeres Glied bzw. eine äußere Kugelführung 13b, die einstückig mit der Welle 13a ausgebildet ist und mehrere in Umfangsrichtung und in Radialrichtung gleichen Abstand habende schräge Rillen 18 in ihrer Innenfläche aufweist, ein inneres Glied bzw. eine innere Kugelführung 14b, die mehreze in Ümfangsrichtung und in Radialrichtung gleichen Abstand habende schräge Rillen auf ihrer Außenseite aufweist, wobei die Anzahl der schrägen Rillen 19 gleich der Anzahl der schrägen Rillen 18 ist, einen Kugelkäfig 26, der zwischen der inneren und der äußeren

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Kugelführung angeordnet ist und eine kugelige Innenfläche sowie eine kugelige Außenfläche hat, sowie mehrer kraftübertragende Kugeln 21, die in den entsprechenden Rillen in der äußeren bzw. inneren Kugelführung 13b bzw, 14b angeordnet sind. Die innere Kugelführung 14b ist über Keile 15 und Sicherungringe 16, 17 koaxial mit einer Welle 14a gekuppelt, deren Achse sich mit der Achse 2 in Fig. 1 deckt. Die Längsachse einer jeden Rille 18 in der äußeren Kugelführung 13b deckt sich mit der Geraden 4 in Fig. 1, so daß sie einen Winkel ß mit einer Bezugslinie 20a bildet, die parallel zur Achse 1 der Welle 13a verläuft. Entsprechend decken sich die Längsachsen der Rillen 19 in der inneren Kugelführung 14b mit der Geraden 5 in Fig. 1, so daß sie einen Winkel ß mit einer Bezugslinie 20b bilden, die parallel zur Achse 2 der Welle 14a verläuft, so daß sich die jeweiligen Achsen der Rillen 18 und 19 unter einem Winkel 2ß an einem Punkt schneiden, der dem Punkt 8 in Fig. 1 entspricht, wie dies dargestellt ist. Die Kugel 21 ist am Schnittpunkt 8 in der gemeinsamen Halbierungsebene 3 so angeordnet, daß sie beweglich mit den entsprechenden Rillen 18 und 19 in Eingriff steht. Wie Fig. 5 zeigt, deckt sich die Längsachse der Rille 18 mit der Geraden 4 in Fig, 1, so daß sie die gemeinsame Ebene 3 im Punkt 8 unter einem Winkel α bezüglich der Bezugslinie 20a schneidet. Somit ist klar, daß jede der Achsen der Rillen 18 gegenüber einer zum Umfang der gemeinsamen Halbierungsebene 3 tangentialen Fläche um einen Winkel ß geneigt ist und gegenüber einer zur tangentialen Fläche senkrechten Ebene um eine Winkel α geneigt ist. Ferner ist auch jede Achse der Rillen 19 der inneren Kugelführung 14b um einen Winkel α relativ zur Bezugslinie 20b geneigt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, so daß die Achsen der entsprechenden Rillen in der äußeren und

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der inneren Kugelführung einen Winkel 2a am Schnittpunkt 8 in der gemeinsamen Halbierungsebene 3 einschließen. Daher verlaufen die Achsen der entsprechenden Rillen in der äußeren und der inneren Kugelführung bezüglich der gemeinsamen Halbierungsebene symmetrisch zueinander.

Fig. 7 zeigt einen Kugelkäfig 26, der mit mehreren öffnung 27 versehen ist, die die Kugeln halten und deren Anzahl gleich der Anzahl der Rillen in der äußeren und der inneren Kugelführung ist. Es ist ersichtlich, daß jede Öffnung 27 in Umfangsrichtung länglich ausgebildet ist, so daß die Kugel 21 sich längs ihrer Ränder bewegen kann. Die Breite der länglichen Öffnung 27 ist so bemessen, daß kein nennenswertes Spiel zwischen ihren Längskanten und der Oberfläche der darin angeordneten Kugel besteht. Der Drehpunkt der kugeligen Außenfläche 22 des Käfigs 26 liegt vorzugsweise am Punkt 0., der gegenüber dem Punkt 0 versetzt ist, an dem sich die Achsen 1 und 2 schneiden. Die kugelige Oberfläche 22 steht in glextendem Eingriff mit der ähnlich geformten Innenfläche 24 der äußeren Kugelführung 13b. Der Drehpunkt der Innenfläche 23 des Käfigs 26 liegt vorzugsweise beim Punkt 0«ι der gegenüber dem Punkt 0 so versetzt ist, daß die Innenfläche in glextendem Eingriff mit der ähnlich geformten Außenfläche 25 der inneren Kugelführung 14b steht, so daß der Käfig 26 an seinem von der Welle 13a abgewandten Außenrand dicker ist als an seinem Innenrand bei der Welle 13a.

Es wurde nachgewiesen, daß selbst bei kleinen resultierenden Winkeln, d.h, kleiner als 10°, die Kugelpositionierung des Gelenks ziemlich gut war. Die Winkelwerte für α und ß können durch die Dicke des Käfigs, die mechanische Festigkeit der

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äußeren Kugelführung und der inneren Kugelführung sowie die Güte der maschinellen Bearbeitung bestimmt werden.

Die Rillen 18 und 19 haben vorzugsweise einen balligen Querschnitt statt eines genau kreisförmigen Querschnitts.

Wegen der räumlich, d.h. dreidimensional, geneigten, sich schneidenden Achsen der Rillen in der äußeren Kugelführung und der inneren Kugelführung ist bei allen Kippwinkeln der jeweiligen Achsen der Kugelführungen eine gute Kugelpositionierung des Gelenks sichergestellt.

Patentansprüche:

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   Wellengelenk, gekennzeichnet durch ein äußeres Glied (13b) mit in Umfangsrichtung im gleichen Abstand angeordneten schrägen Rillen (18) auf seiner Innenfläche (24), ein inneres Glied (14b), das innerhalb des äußeren Gliedes angeordnet werden kann und in Umfangsrichtung im gleichen Abstand angeordnete schräge Rillen (19) auf seiner Außenfläche (25) aufweist, deren Anzahl der Anzahl der Rillen im äußeren Glied gleicht, mehrere kraftübertragende Kugeln (21), die bewegbar mit den entsprechenden Rillen der Glieder in Eingriff stehen und dazu dienen, ein Drehmoment von einem der Glieder zum anderen zu übertragen, einen Kugelkäfig (26), der zwischen dem inneren und dem äußeren Glied· angeordnet werden kann und der die Kugeln in einer ersten Ebene hält, die den von den Achsen (1, 2) der Glieder gebildeten stumpfen Winkel halbiert, wobei die Achse (4) einer jeden Rille im äußeren Glied in einer zweiten, zur Achse (1) des äußeren Gliedes parallelen Ebene gegenüber der Achse des äußeren Gliedes um einen ersten Winkel (ά) geneigt ist und ferner in einer zur zweiten Ebene senkrechten, dritten Ebene gegenüber der Achse des äußeren Gliedes um einen zweiten Winkel (ß) geneigt ist und wobei die Achse jeder Rille im inneren Glied bezüglich der ersten Ebene zir Achse der entsprechenden Rille im äußeren Glied symmetrisch verläuft.
2. 2. Wellengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelkäfig (26) mehrere in Umfangsrichtung längliche Öffnungen (27) aufweist, deren Breite im wesentlichen gleich dem Durchmesser der kraftübertragenden Kugeln t21) ist.

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