DE2934170C2

DE2934170C2 - Gleichgang-Wellengelenk

Info

Publication number: DE2934170C2
Application number: DE2934170A
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Aichi Kako; Seiho Toyota Kawakami; Toru Tamano; Toshiaki Yamamoto
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1983-03-17
Also published as: DE2934170A1; GB2050567B; JPS55163324A; US4305263A; GB2050567A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichgang-Wellengelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Derartige Gleichgang-Wellengeletike sind in der Lage, selbst bei großen Achsauslenkungen die Winkelgeschwindigkeit der Antriebsseite äußerst gleichförmig auf die Abtriebsseite zu übertragen.

Den Ausgangspunkt des Anmeldungsgegenstandes bildet ein Stand der Technik, wie er auch den Entwicklungen zugrunde liegt, die in der DE-AS 11 26 199 sowie in dem DE-GM 18 31 827 beschrieben sind.

Ausgehend von herkömmlichen Gleichgang-Wellengelenken mit identischen Krümmungsradien im äußeren und im inneren Laufring an der Berührungsstelle zwischen der Kugel und der Wälznut, entwickelt die DE-AS 1126 199 den Stand der Technik in eine Richtung weiter, daß die Nut so abgeändert wird, daß für den Auslenkvorgang des Gelenks optimale Wälzbedingungen geschaffen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Nutengeometrie derart korrigiert wird, daß eine genaue definierte Beziehung zwischen den Rollradien in den Berührungspunkten erfüllt wird. Diese Maßnahme schafft zwar gute Wälzbedingungen für den Auslenkvorgang, sie geht allerdings zu Lasten der Kraftübertragung von der treibenden auf die Abtriebswelle. Durch die insbesondere durch die weiter oben angeordneten Berührungspunkte in der äußeren Wälz· nut hervorgerufene Keilwirkung der Umfangskräfte wird die Krafteinleitung auf die Kugel und auf die Wälznuten niehl mehr gleichmäßig gehalten und dadurch ungünstig.

Der Anmeldungsgegenstand geht daher von einer symmetrischen Kraftverteilung im Kugel-Wälznutbereich aus. In einem solchen FsIi weist der äußere Laufring und der innere Laufring im Querschnitt bzw. in der Umlaufebene der Kugeln betrachtet an der Berührungsstelle zwischen der Kugel und der Wälznut jeweils gleichen Krümmungsradius auf. Die Druckspan-

nungen a_a d. h. die Spannung an der Berührungsstelle zwischen der Kugel und der Wälznut, kann durch folgende Beziehung ausgedrückt werden: a_c~ (Belastung der Kugel) '/3. Aus der Elastizitätstheorie ist bekannt, daß die Druckspannung o_f niedrig ist, wenn die

ίο Wälznut aus konkaven Oberflächenabschnitten besteht, und daß sie hoch ist, wenn die Wälznut aus konvexen Oberflächenabschnitten besteht Daher haben die konkaven und konvexen Oberflächenabschnitte der Wälznuten zur Folge, daß dann, wenn die innere und die äußere Wälznut in der Kugel-Umlaufebene betrachtet jeweils gleichen Krümmungsradius haben, die Druckspannung in der Wälznut der äußeren Gelenkhälfte niedriger als in der der inneren Gelenkhälfte ist Dies führt dazu, daß bei einer optimalen Materialausnützung

μ im Bereich der inneren Kupplungshälfte die äußere Kupplungshälfte unter ihrer Tragfähigkeitsgrenze bleibt Der Konstruktionswerkstoff des Gelenks wird somit nicht optimal ausgenutzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Gleichgang-Wellengelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei dem der Konstruktionswerkstoff des Gelenks wirtschaftlicher ausgenutzt werden kann, indem die günstigeren Krümmungsverhältnisse in den äußeren Wälznuten zur Vereinfachung der Herstellung genutzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die Krüm-

mungsradien der äußeren und der inneren Wälznuten so aufeinander abzustimmen, daß der Krümmungsradius der äußeren Wälznut der aufgrund seiner Lage und der sich daraus ergebenden randbedingten Krümmung eine höhere Kontaktkraft bei gleicher zulässiger Spannung verkraften kann, relativ zum Krümmungsradius der inneren Wälznut angehoben wird, wenden die Tragfähigkeiten der Kupplungshälften einander angeglichen, so daß die Werkstoffeigenschaften, die im Stand der Technik ungenutzt blieben, besser und effektiver

verwertet werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich nämlich dann, wenn die Wälznuten mittels eines Werkzeugs mit gekrümmter Rotationsfläche hergestellt werden der Vorteil, daß die Genauigkeit der Wälznutenherstellung durch die

SO erfindungsgemäßen Maßnahmen größer wird. Auf diese Weise wird die Herstellung vereinfacht ohne die Tragfähigkeit des Gelenks zu beeinträchtigen.

Der erfindungsgemäße Schritt schließt nicht aus, daß die Wälznuten so aufeinander abgestimmt sind, daß die

Berührungspunkte zwischen Wälznuten und Kugel auf diametral durch die Kugel laufenden Geraden zu liegen kommen.

Zwar ist aus dem DK-GM 18 31827 in Fig. 4 eine Ausführungsform eines Wellengelenks gezeigt die den

Anschein erwecken könnte, daß an den Abstützpunkten im Bereich des Gelenkinnenrings Krümmungsradien vorliegen, die sich von dem Krümmungsradius im Abstützpunkt im Außenring unterscheiden. Es ist allerdings der Beschreibung an keiner Stelle zu

entnehmen, ob die Krümmungsradien in den einzelnen Berührungspunkten in irgendeiner Weise aufeinander abgestimmt sind. Vielmehr wird in der dazugehörigen Beschreibung besonders hervorgehoben, daß die Ge-

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stait des Rilleneinschnius für die dort vorliegende Entwicklungsrichtung völlig unwichtig ist. Entscheidend Bt bei dieser Entwicklung allein die rollgeometrische Beziehung, von der der Anmeldungsgegenstand keinen Gebrauch macht

Nachstehend wird an Hand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine senkrechte SchnittdarsteJIung durch das Gleichgang-Wellengelenk, to

F i g. 2 eine lusschnittsweise, vergrößerte Schnittdarstellung bei einer Schnittführung entlang der Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 und 4 die Art und Weise, in der eine Kugel in Berührung mit der Wälznut des äußeren Laufringes bzw. mit der Wälznut des inneren Laufringes steht,

F i g. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Herstellung der Wälznut des äußeren Laufringes,

Fig.6 ein Diagramm, das den Krümmungsradius an der Beriihrungsstelle der Wälznut in Abhängigkeit von Abmessung und Einstellung eines Werkzeuges zeigt, und

F i g. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius der Wälznut an der Birührungsstelle zwischen der Kugel und der Wälznut und Abweichungen bzw. Fehlern des Profils der Wälznut zeigt, die durch Fehler bzw. Abweichungen der Werkzeugabmessungen verursacht sind.

In F i g. 1 ist ein Gleichgang-Wellengelenk bzw. Gleichgang-Universalgelenk dargestellt, das eine auBere Kupplungshälfte 1. Kugeln 2, eine innere Kupplungshälfte 3, einen Käfig 4 sowie eine treibende Welle 5 aufweist In der äußeren Kupplungshälfte 1 ist eine Ausnehmung bzw. Wälznut 6, und in der inneren Kupplungshälfte 3 ist eine Ausnehmung bzw. Wälznut 7 für die Kugel ausgebildet Die Wälznut 6 hat im Querschnitt an der Beriihrungsstelle zwischen der Kugel 2 und der Wälznut 6 den Krümmungsradius 0\, und die Wälznut 7 hat im Querschnitt an der Berührungsstelle zwischen der Kugel 2 und der Wälznut 7 den Krümmungsradius 01, wie dies in Fig.2 dargestellt L".

Die Fig.3 und 4 zeigen die Wälznut 6 bzw. die Wälznut 7 in perspektivischer Darstellung. Aus F i g. 3 ist erkennbar, wie die Kugel 2 in Berührung mit der Wälznut 6 der äußeren Kupplungshälfte 1 steht. Strichpunktierte Kurven zeigen die Wälzbahn, entlang der sich die Kugel 2 in der Wälznut 6 abwälzt, sowie den Bogen bzw. Krümmungsverlauf an der Beriihrungsstelle zwischen der Kugel 2 und der Wälznut 6 in einer zur so Wälznut 6 unter rechtem Winkel verlaufenden Ebene, d. h. in der Umlaufebene Jer Kugeln. Die Krümmungsradien dsr strichpunktierten Kurven sind in F i g. 3 mit 0Ί bzw. 0, bezeichnet. F i g. 4 zeigt, wie sich die Kugel 2 in der Wälznut 7 der inneren Kupplungshälfte 3 abwälzt Si tn ähnlicher Weise wie in Fig.3 ist in Fig.4 der Krümmungsradius an der Berührungsstelle in der zur Wälznut senkrechten Ebene mit o₂ bezeichnet, während der Krümmungsradius der Wälzbahn mit σ'? bezeichnet ist.

Es sei angenommen, daß der in F i g. 2 dargestellte Berührungswinkel 1x0 für die äußere Kupplungshälfte I Und die innere Kupplungshälfte 3 der gleiche ist. Auf die Berührungsstellen zwischen der Kugel 2 und der äußeren Kupplungshälfte bzw, dem äußeren Laufring 1 sowie der inneren Kupplungshälfte bzw. dem inneren Laufring 3 wirken dann gleich große Kräfte, wenn das Wellengelenk ein Drehmoment überträgt. Wie aus F i g. 3 erkennbar ist stehen die Kugel 2 und die äußere Wälznut 6 so in Berührung miteinander, daß die Wälznut 6 an der Berührungsstelle sowohl in der y-g-Ebme als auch in der jr-z^Ebene konkav ist Wie a«« Fi g. 4 erkennbar ist stehen die Kugel 2 und die innere Wälznut 7 an der Berührungsstelle so in Berührung miteinander, daß dort die innere Wälznut 7 in der y-z-Ebene konkav und in der x-z-Ebene konvex ist. Da sowohl die Kugel als auch die Wälznuten aus elastischem Material bestehen, besteht nicht nur eine Punktberührung zwischen den Wälznuten 6 bzw. 7 und die Kugel an der jeweiligen Beriihrungsstelle flächig, wenn die Kugel in die Wälznuten gedrückt wird. Dabei hat die Beriihrungsstelle zwischen der Kugel 2 und der äußeren Wälznut 6 eine größere Fläche als die Berührungsstelle zwischen der Kugel 2 und der inneren Wälznut 7, sofern die Krümmungsradien O\ und &i gleich sind. Dementsprechend ist dann die Spannung an den Berührungssteilen, d.h. die Druckspannung, in der inneren Wälznut 7 höher als in der äußeren Wälznut 6. Die Druckspannung an der Berühningsstelle zwischen der Kugel 2 und der inneren Wäb Jt 7 kann jedoch gleich der Druckspannung an der Brührungssteile zwischen der Kugel 2 und der äußeren Wälznut 6 dadurch gleichgemacht werden, daß entweder der Krümmungsradius der Berührungsfläche der inneren Kupplungshälfte 3 dem Radius der Kugel 2 angenähert wird oder daß der Krümmungsradius der Berührungsfläche der äußeren Kupplungshälfte I erhöht wird. Dies heißt mit anderen Worten, daß der Krümmungsradius O₁ der Berührungsfläche der äußeren Kupplungshälfte 1 mit der Kugel 2 und der Krümmungsradius aj der Berührungsfläche der inneren Kupplungshälfte β in der Weise voneinander abweichend auszubilden sind, daß σι > ο? gilt

Im folgenden wird die Genauigkeit erörtert mit der die äußere Wälznut 6 hergestellt wird. Es sei angenommen, daß die Wälznut gemäß dem in F i g. 5 dargestellten Verfahren geschliffen wird Für die Beziehung zwischen den verschiedenen Profilen υ id der Herstellungsgenauigkeit gelten dann die in den F i g. 6 und 7 dargestellten Werte. Zunächst wird das Verfahren aus-'ehrlicher erläutert Ein Schleifwerkzeug 8 weist eine gekrümmte Rotationsfläche mit einem Schleiferradius RG auf, dessen Mittelpunkt an einer Stell« liegt die bezüglich der Drehachse des Schleifwerkzeuges 8 um eine Stecke OCr exzentrisch ist Das Schleifwerkzeug 8 ist so eingestellt daß es unter einem Neigungswinkel θ geneigt ist Während des Schleifens wird die äußere Kupplungshälfte f um ihren Schwenkmittelpunkt hin- und hergeschwenkt Die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius 0 und dem Schleiferradius RC des Schleifwerkzeuges ist in Fig.6 dargestellt wobei Parameter der Neigungswinkel θο des Schleifwerkzeuges 8 Wt und die Strecke OC so gewählt ist daß der Berührungswinkel *o konstant ist Die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius α und der Abweichung bzw. dem Fehler Δ& des Berülirungswinktls oo, der bzw. die auftritt, wenn OC oder RC eine Abweichung bzw. einen Fehler von 0,01mm aufweisen, ist in Fig.7 wiedergegeben, wtoei Parameter der Darstellung der Neigungswinkel θ₀ des Schleifwerkzeuges 8 ist, dessen bestimmende Größen OG und RG sind. Wie die F i g. 6 und 7 zeigen, kann der Krümmungsradius α durch entsprechende Wahl der verschiedenen Einflußgrößen (θο, RG und OG) beliebig gewählt und festgelegt werden, wenn ein bestimmter Wert für den Berührungswinkel «o gewählt ist. Dabei ist zu beachten, daß die

Abweichung Δα des Berührungswinkels aufgrund der Dehler von OG und RG durch den Krümmungsradius a bestimmt ist. je größer der Krümmungsradius ο ist, desto kleiner ist die Abweichung Δα. Vorzugsweise wird daher für den Krümmungsradius α ein verhältnismäßig großer Wert gewählt, um große Herstellungsgenauigkeit zu erreichen.

Aus den vorstehend erwähnten Gründen ist es nicht nur nicht notwendig, sondern darüber hinaus schwierig, die Fertigbearbeitung mit hoher Genauigkeit so durchzuführen, daß o\ »oj erreicht wird. Vielmehr ist es bei der Herstellung von Gleichgang-Wellengelenken zweckmäßig und angebracht, den Krümmungsradius der äußeren Wälznut an der Berührungsstelle zwischen der Kugel und der Wälznut größer als den Krümmungsradius an der Berührungsstelle mit der inneren Kupplungshälfte auszubilden, sofern dadurch nicht die Festigkeit beeinträchtigt wird und soweit die Druckspannungen zwischen dem inneren Laufring und der Kugel einerseits und zwischen dcni Süßcfcn Laufring und der Kugel andererseits angeglichen werden.

Bei dem beschriebenen Gleichgang-Wellengelenk weist die äußere Kupplungshälfte in der senkrecht zur Wälznut verlaufenden Ebene, d. h. in der Umlaufebene der Kugeln an der Berührungsstelle zwischen der Kugel und der Wälznut einen größeren Krümmungsradius auf als die innere Kupplungshälfte in der senkrecht zur Wälznut verlaufenden Ebene an der Berührungsstelle zwischen der Kugel und seiner Wälznut. Die konkaven und konvexen Oberflächenabschnitte der äußeren bzw. inneren Wälznuten führen dazu, daß dann, wenn die innere Kupplungshälfte und die äußere Kupplungshälfte

ίο in der quer zur Wälznut verlaufenden Ebene gleichen Krümmungsradius haben, die Beanspruchung der äußeren Wälznut durch Druckspannungen niedriger als die der inneren Kupplungshälfte isl Indem die Krümmungsradien der Wälznuten in der senkrecht zu diesen verlaufenden Ebene an der äußeren und an der inneren Kupplungshälfte unterschiedlich festgelegt werden, um dadurch die Druckspannungen in den beiden Wälznuten einander anzugleichen, ist es zusätzlich möglich, die Herstellung der Wälznuten zu vereinfachen and dsbci dis gleiche hohe Genauigkeit wie bei herkömmlichen Gleichgang-Wellengelenken zu erreichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichgang-Wellengelenk mit Drehmoment-Übertragung durch Kugeln, die in einem zwischen einer inneren und einer äußeren Kupplungshälfte liegenden Käfig gehalten und in Wälznuten angeordnet sind, die einander gegenüberliegend in der äußeren und in der inneren Kupplungshälfle so ausgebildet sind, daß die sich über Flanken der Wälznuten abstützende Kugel bei Abwinkelung des Wellengelenks unter Beibehaltung der Abstützgeometrie entlang einer Wälzkurve bewegt wird, die bei fluchtenden Wellen in einer die Achse dieser Wellen enthaltenden Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umlaufebene der Kugeln (2) betrachtet an der Berührungsstelle zwischen der äußeren Wälznut (6) und der Kugel (2) ein größerer Krümmungsradius (σ) vorhanden ist als der Krümmungsradius (σ₂) an der mit der Kugel (2) in Kontakt stehenden Stelle der inneren Wälznut (7).

2. Gleichg^nj- Wellengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß an den Berührungsstellen zwischen der Kugel (2) und der inneren bzw. äußeren Wälznut (7 bzw. 6) der Berührungswinkel (flto). d.h. der halbe von den Berührungsstellen begrenzte Zentralwinkel der Kugel (2) für die äußere Kupplungshälfte (1) und für die ^;nnere Kupplungshälfte (3) gleich groß ist