DE2809242A1

DE2809242A1 - Homokinetisches dreizapfengelenk

Info

Publication number: DE2809242A1
Application number: DE19782809242
Authority: DE
Inventors: Michel Orain
Original assignee: Glaenzer Spicer SA
Current assignee: Glaenzer Spicer SA
Priority date: 1977-03-04
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1978-09-07
Also published as: AR215291A1; JPS53109058A; JPS605809B2; SE7802412L; PL205057A1; CS210671B2; FR2382614B1; CH619521A5; GB1597092A; US4175407A; CA1072761A; BR7801323A; IT7867451A0; ES467537A1; RO79380A; DD134133A5; MX146659A; IT1111608B; FR2382614A1; SE420640B

Description

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GLAENZER-SPICER
F-78301 Poissy

Homokinetisches Dreizapfengelenk

Die Erfindung bezieht sich auf homokinetische Dreizapfengelenke zur Kraftübertragung, mit einem in Form eines Dreizapfensterns ausgebildeten Glied, das mit der einen zweier zu kuppelnder Wellen bzw. Antriebs- und Abtriebsglieder fest verbunden ist und auf seinen drei Zapfen drehbar und gleitend gelagerte sphärische Rollkörper trägt, die in Wälzbahnen aufgenommen werden, die in einem zweiten, mit der anderen Welle fest verbundenen Gelenkglied ausgebildet sind.

Unter den homokinetischen Gelenken stellen diese Gelenke insofern eine Besonderheit dar, als sie keinerlei Elemente aufweisen, die den von den Achsen der beiden zu kuppelnden Wellen eingeschlossenen Winkel teilen, so da3 sie bei einem einfachen und widerstandsfähigen Aufbau mit geringen Herstellungskosten verbunden sind und eine hohe Lebensdauer besitzen.

Um mit solchen Gelenken zwischen den zu kuppelnden Wellen Beugungswinkel von mehr als 30 zu erzielen, hat man bisher eine Ausführungsform verwendet, bei der der Dreizapfenstern durch die Enden aEiner Zapfen mitgenommen wird, die im Inneren eines mit der zugehörigen Welle fest verbundenen Hülsenelements fixiert sind. Das andere, die Wälzbahnen einschließende Gelenkglied ist bei dieser Ausführungsform fest mit der aaderen Welle verbunden und im Inneren des hülsenförmigen Elements aufnehmbar.

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Durch diese relative Anordnung des einen Gelenkglieds in dem hülsenförmigen Element muß letzteres gegenüber dem aufgenommenen Gelenkglied einen wesentlich größeren Durchmesser aufweisen, um eine gegenseitige Behinderung bzw. ein Verklemmen zwischen beiden Teilen bei einer Auslenkung unter großem Winkel zu vermeiden. Im übrigen bedingt der hohe Winkelbetrag die Ausbildung tiefer Aussparungen in dem die Wälzbahnen einschließenden Gelenkglied, was dessen Belastbarkeit und damit das übertragbare Drehmoment beeinträchtigt. Außerdem ist für die Rollkörper nur ein beschränkter Durchmesser zulässig, um nicht die Breite der Aussparungen noch zu vergrößern und dadurch die Belastbarkeit des die Wälzbahnen einschließenden Gelenkglieds noch mehr zu schwächen. Ein solches Gelenkglied hat daher ein wesentlich schwächeres Leistungsvermögen als Dreizapfengelenke mit gleichen Außenmaßen und kleinem Beugungswinkel , bei denen der Dreizapfenstern über eine im Inneren seiner Nabe befestigte Welle mitgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dreizapfengelenk zu schaffen, das unter großem Arbeitswinkel bzw. Beugungswinkel arbeiten kann und bei gleichem Raumbedarf wie die bisher für die gleichen Zwecke eingesetzten Gelenke eine wesentlich höhere Belastbarkeit als diese besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das homokinetische Dreizapfengelenk nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der
Dreizapfenstern fest mit einem Wellenstumpf verbunden ist,
der an seinem dem Dreizapfenstern zugewandten Abschnitt einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, der der freien Kante des die Wälzbahnen einschließenden Gelenkglieds bei Arbeit des Gelenks im Bereich seines maximalen Winkels als Begrenzungskurve dient.

Nach einem Merkmal der Erfindung weist das die Wälzbahnen einschließende Gelenkglied jeweils im Trennbereich zwischen den drei Wälzbahnen längs seiner freien Kante drei nach innen geneigte Schrägflanken auf.

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Die Rollkörper haben, wie an sich bekannt, einen großen Durchmesser, und die aneinandergrenzenden Kehlungen zweier benachbarter Wälzbahnen schneiden sich fast.

Nach einer bevorzugten Ausführungsfοrm ist der Dreizapfenstern über eine, einen verhältnismäßig kleinen Abweichwinkel zwischen der Achse des Dreizapfensterns und der Achse der Welle zulassende Zwischenkupplung verbunden, wobei die Welle und das^die Wälzbahnen einschließende Gelenkglied komplementäre Elemente zur Zentrierung und axialen Abstützung aufweisen.

Jede Wälzbahn des Gelenks nach der Erfindung besteht aus einem Kehlungspaar mit kreisbogenförmigem Profil, deren Mittellinie einen Kreisbogen um einen in der Nähe der Achse der zweiten Welle liegenden Mittelpunkt beschreibt.

V/eitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Gelenk nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Stirnansicht des die Wälzbahnen einschließ enden Gelenkglieds;

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 1 durch eines der Gelenkglieder;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Gelenk nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt nach Linie 5-5 in Fig. 4;

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Fig. 6 einen Längsschnitt nach Pig, 4, unter maximalem Beugungswinkel des Gelenks.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführung.sform eines homokinetischen Dreizapfengelenks zur Verbindung einer Antriebswelle mit einer Abtriebswelle 2. Die Antriebswelle mit der Achse X-X weist an ihrem Ende drei sternförmig angeordnete Zapfen 10 auf, deren Achsen um 120 zueinander versetzt in derselben radialen, zur Wellenachse senkrechten Ebene liegen. Jeder dieser Zapfen trägt einen sphärischen Rollkörper 11, dessen Durchmesser d_ größer ist als seine Höhe h_und als der Abstand r zwischen seinem Mittelpunkt und der Achsmitte der Welle 1.

Mit der Welle 2 mit Achse Y-Y ist eine die Rollkörper aufnehmende Wälzbahnen einschließende Hülse 20 fest verbunden. Jede Wälzbahn besteht aus je zwei Kehlungen mit kreisförmigem Profil, deren Mittellinie einen Kreisbogen 22 um einen vorzugsweise nahe an der Achse der Welle 2 liegenden Mittelpunkt beschreibt.

Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist die Hülse aus einem getriebenen Rohling geformt, in dem die Wälzbahnen entsprechend eingearbeitet werden. Sie weist eine im wesentlichen sphärische Mantelfläche 23 auf, die geringen Raumbedarf gewährleistet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, schneiden sich die Kehlungen 24, 25 zweier benachbarter Wälzbahnen fast an ihren Innenkanten, ohne daß dadurch die Festigkeit der Hülse als solche beeinträchtigt wird, da zwischen den zwei Kehlungeije einer Wälzbahn Verbindungs- bzw. Überbrückungsabschnitte 26 bestehen.

Jeweils im Trennbereich zwischen zwei benachbarten Wälzbahnen sind längs der freien Kante 27 der Hülse Abflachungen bzw. Ab-

fasungen 28 vorgesehen (Fig. 1 und 2). Diese spezielle Form wird dadurch bedingt, daß die Berührungslinie des sphärischen Rollkörpers 11 mit den torischen Wälzbahnen 21 in einer Ebene

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P verläuft, die sich durch die Mittelpunkte des Rollkörpers und des Torus erstreckt; folglich schneidet sich die Kante der Wälzbahn mit der Mittellinie 22 der Wälzbahn unter einem Winkel von 90° und mit der Achse Y-Y der Hülse unter einem Winkel von ca. 45°. Durch das sich ergebende, große Spiel wird ein Anschlagen bzw. eine gegenseitige Behinderung im Bereich 12 der Welle 1 bei Beugung des Gelenks in zu der in Pig. I gezeigten Stellung entgegengesetzter Richtung vermieden.

Wie aus Fig. 1 und 3 ersichtlich, weist die Welle 1 in ihrefli den Zapfen 10 benachbarten Abschnitt 13 eine die freie Kante 27 der Hülse bei größtem Beugungswinkel des Gelenks begrenzende Form auf (Fig. 1). Dadurch ergibt sich für die Welle im wesentlichen ein dreieckförmiger Querschnitt mit abgerundeten Ecken. Die drei Symmetrieachsen des Dreiecks verlaufen parallel zu den Achsen der Zapfen 11. Jede der die drei Dreieckseiten bildenden Abflachungen bzw. Vertiefungen 14 weist selbst vorzugsweise einen bogenförmigen Dreieckumriß unterschiedlicher Tiefe auf. Der Abschnitt 13 der Welle 1 bildet teilweise die Mantellinie zu den Ab^fasungen 28 der Hülse und dank dieser zusammenwirkenden Formen erhöht sich der Beu>gungswinkel des Gelenks, ohne daß dadurch die Belastbarkeit der Welle merklich beeinträchtigt wird.

Dieses Gelenk besitzt somit bei einem hohen Beugaxpswinkel von 42 eine besonders hohe elastbarkeit, wie im Laufe der Beschreibung noch anhand eines Beispiels belegt wird.

Auf der Welle 1 und der Hülse 20 sind außerdem Rillen 15 und 29 vorgesehen, die zur Aufnahme eines nicht dargestellten Dichtungsbalgs aus Gummi dienen, der den Mechanismus schützend umschließt und einen Schmiermittelverlust verhindert.

Die dargestellten Rollkörper 11 sind im Gleitsitz auf ihrem Zapfen 10 angeordnet. Sie können selbstverständlich auch auf einem Nadellager laufen, wodurch sich die mechanische Leistung bei geringerer Wärmeentwicklung im Gelenk verbessern läßt. Die

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Nadeln lassen sich mit den Zapfen über einen mit dner Schraube befestigbaren Ring oder über andere bekannte Vorrichtungen verbinden«

Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine zweite, weiter verbesserte Ausführungsform des Gelenks nach der Erfindung, die einen noch höheren Beugungswinkel gestattet. Hier ist an der Welle 30 ein Ansatz 31 mit einer Innenverzahnung 32 vorgesehen, der sich eine glockenförmige Hülse 33 fortsetzt. Der eigentliche Dreizapfenstern 34 ist getrennt für sich ausgebildet und besteht aus einem Wellenstumpf 35, der an seinem einen Ende einen mit der Verzahnung 32 der Welle 30 in Eingriff stehenden Zahnkranz 36 und am anderen Ende die drei Zapfen 37 aufweist, welche die sphärischen Rollkörper 38 tragen. Die Verzahnungen 32 und 36 sind, wie an sich bekannt, leicht hinterschnitten, so daß sich eine Kupplung ergibt, die eine Drehmomentübertragung unter kleinen Winkeln zwischen den Achsen X-X und Z-Z der Hauptwelle 30 und des Wellenstumpfs 35 des Dreizapfensterns gestattet.

Der Dreizapfenstern ist gegenüber der zugehörigen Welle über einen Druckring 39 axial abgestützt, der seinerseits durch einen elastischen Ring 40 gesichert ist, und liegt über eine im wesentlichen sphärische Sitzfläche 41 am Boden der Ausnehmung an. Auch die komplementären Flächen 39a und 42 zwischen dem Ring 39 und dem Dreizapfenstern sind vorzugsweise sphärisch ausgebildet.

Die zweite Welle 50 ist hier hohl ausgebildet und mit einer Hülse 51 verbunden, die drei Wälzbahnen mit torischem Profil wie bei der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform zur Aufnahme der Rollkörper einschließt. Diese Hülse steht über eine sphärische Außenfläche 51a mit der anderen Hülse 33 in Eingriff, so daß sich eine vollkommene Zentrierung des Gelenks ergibt. Längs der freien Kante 53 der Hülse 51 sind jeweils im Trennbereich zwischen zwei benachbarten Wälzbahnen Abflachungen bzw. Schrägflanken 54 ausgebildet, die sich unter einem Winkel von ca. 45° zur Achse Y-Y der Welle 50 erstrecken.

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Wie bei der ersten Ausführungsform wirkt der den Dreizapfenstern tragende Wellenstumpf an seinem Abschnitt 43 bei Arbeit des Gelenks unter maximalem Winkel als Begrenzungskurve zur freien Kante 53 der Hülse 51 und weist in diesem Bereich ebenfalls einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt auf.

Diese Ausführungsform funktioniert folgendermaßen:

Bei maximalem Beugungswinkel schließt die Achse Y-Y der Welle 50 mit der Achse Z-Z des Wellenstumpfs 35 des Dreizapfensterns einen Winkel A ein, der bis zu 41 oder 42° betragen kann, und die Achse Z-Z schließt mit der Achse X-X der Welle 30 einen Winkel B in der Größenordnung von 5° ein. Der maximale Arbeitswinkel C des Gelenks entspricht daher der Summe der Winkel A und B und kann daher 46° oder etwas darüber betragen.

Bei beiden beschriebenen Ausfii hrungsformen weist das Gelenk bei besonders raumsparender Bauweise eine erhöhte Belastbarkeit auf. Diese Belastbarkeit läßt sich wie folgt nach der Formel C = p. d.h.r. η berechnen, wobei

ρ = mittlerer zulässiger Druck auf die projizierte Fläche des Rollkörpers für Stähle, wie sie üblicherweise zur Herstellung von Rollkörpern verwendet werden;

d = Durchmesser der Rollkörper;

h = Höhe des Rollkörpers bzw. der balligen Arbeitsfläche;

r = Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Rollkörpers und der Gelenkachse;

η = Anzahl der Rollkörper.

Bei einem Gelenk mit großem Winkel nach klassischer Bauweise, wie eingangs beschrieben, erhält man bei gegebenen Außenmaßen eine Belastbarkeit C = 20.700 ρ bei einem maximalen Beugungswinkel von 43 °.

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Bei gleichen Außenmaßen hat ein Gelenk nach der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3, das unter einem in etwa gleichem maximalen Beugungswinkel arbeitet (42 ), eine Belastbarkeit C = 54,400 p, während ein Gelenk nach Pig« 4 bis 6 eine Belastbarkeit C =» 41.600 ρ bringt, aber einen sehr viel höheren Beugungswinkel von 46 gestattet»

In beiden Fällen wird daher die gestellte Aufgabe auf neue, vorteilhafte Weise ohne komplizierte Bauteile und ohne Erhöhung der Kosten gelöst.

Die in Höhe der freien Kante des die Wälzbahnen einschließenden Gelenkglieds vorgesehenen Ab'fssungen können im wesentlichen eben oder vorzugsweise auch leicht konkav ausgebildet sein. Außerdem können die als Begrenzungskurve dienenden Abflachungen auf dem den Dreizapfenstern tragenden Wellenstumpf komplex ausgebildet sein, d.h. konkav, konvex oder doppeltbogenförmig, was keinerlei Nachteile mit sich bringt, sofern diese Form in Kaltbearbeitung hergestellt wird.

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Claims

Patentanwälte

Dip!.^, .ν ; . . ■■r.r.'rl-.a

Mü,.c!i3i-. 4ü, Uia-beilistraße 34

GLAENZER-SPICER
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Homokinetisches Dreizapfengelenk

Patentansprüche :

l.y Homokinetisches Dreizapfengelenk mit einem in Form eines Dreizapfensterns ausgebildeten Glied, das mit der einen zweier zu kuppelnder Wellen oder Antriebs- bzw. Abtriebsglieder fest verbunden ist und auf seinen drei Zapfen drehbar und gleitend gelagerte sphärische Rollkörper trägt, und mit einem mit der zweiten Welle fest verbundenen zweiten Gelenkglied, das die Rollkörper aufnehmende Wälzbahnen in Form je eines Kehlungspaares mit kreisbogenförmigem Profil einschließt, deren Mittellinie einen Kreisbogen um einen vorzugsweise nahe an der Achse der zweiten Welle liegenden Mittelpunkt beschreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreizapfenstern fest mit einem Wellenstumpf (1, 35) verbunden ist, der an seinem dem Dreizapfenstern zugewandten Abschnitt (13, 43) einen im wesentli chen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, der dem freien Rand (27; 53) des die Wälzbahnen einschließenden Gelenkglieds (20; 51) bei Arbeit des Gelenks im Bereich seines maximalen Winkels als Begrenzungskurve dient.

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ORiGlNAL INSPECTED

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2. Homokinetisches Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wälzbahnen einschließende Gelenkglied (20; 51) längs seiner freien Kante jeweils im Trennbereich zwischen den Wälzbahnen drei nach innen zur Gelenkmitte geneigte Schrägflanken (28; 54) aufweist.
3. Homokinetisches Gelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflanken (28; 54) in einem Winkel von ca. 45 zur Achse Y-Y der zugehörigen Welle(2; 50) geneigt sind.
4. Homokinetisches Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Dreizapfenstern tragende Wellenstumpf an seinem diesem benachbarten Abschnitt (13; 43) drei Abflachungen oder Vertiefungen (14) mit einem im wesentlichen dreieckförmigen Umriß aufweist.
5. Homokinetisches Gelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollkörper, wie an sich bekannt, einen gegenüber ihrer Höhe h und dem Abstand r ihres Mxttelpunktes von der zugehörigen Wellenachse größeren Durchmesser d besitzen, und daß das die Wälzbahnen einschließende Gelenkglied jeweils zwischen den zwei Kehlungen einer Wälzbahn Verbindungs- bzw. Überbrückungsabschnitte (26) aufweist.
6. Homokinetisches Gelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreizapfenstern (34) mit der zugehörigen Welle (30) über eine einen verhältnismäßig kleinen Abweichwinkel zwischen der Achse Z-Z des Dreizapfensterns und der Achse X-X der Welle gestattende Zwischenkupplung (32, 26) verbunden ist, wobei die Welle (30) und das die Wälzbahnen einschließende Gelenkglied (51) mit komplementären Elementen (35a, 51a) zur Zentrierung und axialen Abstützung aiKjebildet sind.

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7. Homokinetisches Gelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkupplung aus zwei ineinandergreifenden hinterschnittenen, einen bestimmten Arbeitswinkel zulassenden Verzahnungen (32, 36) besteht.
8. Homokinetisches Gelenk nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreizapfenstern (34) gegenüber seiner zugehörigen Welle durch einen über einen elastischen Ring (40) gesicherten Druckring (39) axial
abgestützt ist und am Boden der Ausnehmung über eine im wesentlichen sphärische Sitzfläche anliegt.
9. Homokinetisches Gelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die komplementären Flächen (39a, 42) zwischen dem Ring (39) und dem Dreizapfenstern im wesentlichen ebenfalls sphärisch ausgebildet sind.
10. Homokinetisches Gelenk nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente zwei an den zu kuppelnden Wellen (30, 50) ausgebildete komplementäre, sphärische Sitzflächen (33a, 51a) sind.

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