DE3143557A1

DE3143557A1 - "selbstkuehlendes universalgelenk"

Info

Publication number: DE3143557A1
Application number: DE19813143557
Authority: DE
Inventors: Charles Patrick 60137 Glenn Ellyn Ill. Hennessy
Original assignee: Lovejoy LLC
Current assignee: Lovejoy LLC
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1982-07-22
Also published as: JPH0333227U; JPS57107430A; US4410311A

Description

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SELBSTKUHLENDES UNIVERSALGELENK

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Universalgelenke des Typs, der zwei drehbare, mittels Zapfen mit einem Zentralblock verbundene Gabeln aufweist.

Universalgelenke werden dazu verwendet. Drehmoment von einer rotierenden Antriebswelle auf eine Abtriebswelle dann zu übertragen, wenn die Mittellinien der beiden Wellen durch irgendeinen Winkel, den sogenannten Verse tzungswinkel, versetzt sind. Universalgelenke vom Zapr fen-Block-Typ werden häufig für diesen Zweck verwendet.

Ein Zapfen-Block-Universalgelenk (im folgenden als Universalgelenk bezeichnet) umfaßt im allgemeinen zwei Gabeln, vier Zapfen und einen Zentralblock. Jede Gabel hat im? allgemeinen eine gerade, im Querschnitt häufig kreisförmige Gabelwelle und zwei ösen an einem Ende, die in 180 Grad Abstand voneinander angeordnet sind. Die ösen jeder Gabel tragen ein Lager, das fluchtig auf einer gemeinsamen Achse angeordnet ist, die rechtwinkelig zur Mittellinie der Gabelwelle verläuft. Die beiden Gabeln sind um 180 Grad verschoben, und ihre ösen sind so miteinander verbunden, daß die Achsen durch ihre jeweiligen Gleitlager in 90 Grad Abstand voneinander ausgerichtet sind und den Zentralblock schneiden, der zwischen den ösen der jeweiligen Gabeln angeordnet ist. Ein durch jedes Lager eingesetzter und fest mit dem Zentralblock verbundener Zapfen ermöglicht es jeder Gabel, sich um die Achse der Zapfen zu drehen, wobei lediglich eine Begrenzung durch Kontakt von Gabel zu Gabel gegeben ist. Die An- und Abtriebswellen können mit dem freien Ende der Gabelwellen verbunden sein.

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Die Konstruktion von üniversalgelenken variiert häufig je nach der Anforderung des Einsatzes.

Wenn Universalgelenke dort eingesetzt werden, wo sie relativ geringen Drehmomenten und niedrigen Drehgeschwindigkeiten ausgesetzt werden, können die Gabeln so positioniert werden, daß die Achsen durch ihre jeweiligen Lager nicht auf der gleichen Ebene liegen. Dies vereinfacht deshalb die Herstellung, weil die Achsen der Zapfen sich nicht schneiden,und ein einziger Zapfen kann verwendet werden, der sich durch den Zentralblock und die Lager in jedem Paar von Gabelösen erstreckt. Da die Belastung, die die Zapfen aushalten müssen, niedrig ist, können sie aus weichem Material, wie z.B. Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt,hergestellt werden, so daß die gesamte Gelenkmontage durch einfaches Vernieten der Enden jedes Zapfens gehalten werden kann. Wenn die Lagerachsen wie oben beschrieben versetzt sind, führt der Betrieb des üniversalgelenkes zu einer Verdrehung des Zentralblockes. Jedoch ist bei geringen Drehgeschwindigkeiten, wie z.B. denjenigen bei Handbetrieb, beispielsweise bei Fernbedienungseinrichtungen für SonnenJalousien und Schneegebläsen, eine Verdrehung des Zentralblockes im allgemeinen unbedenklich.

Wenn Universalgelenke für hohe Drehmomente und hohe Geschwindigkeiten eingesetzt werden, wie z.B. bei Antriebsketten von Werkzeugmaschinen, müssen andere Aspekte der Konstruktion in Betracht gezogen werden. Bei hohen Drehgeschwindigkeiten würde eine Verdrehung des Zentralblockes zu einer nicht wünschbaren Vibration führen. Aus diesem Grund werden die Universalgelenke so konstruiert, daß die Lagerachsen in den ösen der Gabeln in der gleichen Ebene liegen und sich in einem 90"-Winkel schneiden. Da die Lager und Zapfen eine höhere Belastungsfähigkeit haben müssen, um die hohen Drehmomentwerte auszuhalten, werden fast ausschließlich Lagerzapfen und

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Gleitlager verwendet. Sie werden in typischer Weise aus Stahl gefertigt und werden so hitzebehandelt/ daß ihre Härte über 40 Rockwell C liegt.

Zur Reduzierung der Reibung und Abnutzung wird es möglich,einen gleichmäßig verteilten Schmiermittelfilm, beispielsweise aus öl,zwischen den Lagerzapfen und den Gleitlagern aufrechtzuerhalten. Bei den meisten Anwendungen von Lagerzapfen und Gleitlagern, wie z.B. Eisenbahnachsen, rotiert die Welle bzw. der Zapfen bezüglich des Gleitlagers um 360°. Diese vollständige Drehung unterstützt die kontinuierliche Verteilung von Schmiermittel zwischen dem Zapfen-und den Gleitlagerflächen. Der Betrieb eines Universalgelenkes bewirkt dagegen oszillierende Winkelverschiebungen der Lagerzapfen bezüglich des Gleitlagers. Die Größe der Verschiebung entspricht zweimal dem Versatzwinkel, und da der Versatzwinkel selten mehr als 20° ausmacht, ist die Gesamtbewegung normalerweise auf ungefähr 50° beschränkt. Diese oszillierende Winkelverschiebung von begrenzter Amplitude behindert die Schmiermittelverteilung und bewirkt einen gesteigerten Oberflächenkontakt zwischen den Lagerzapfen und dem Gleitlager. Dieser Kontakt von Metall zu Metall erzeugt beträchtliche Mengen von Reibungshitze und erhöht den Abnutzungsgrad der Lagerzapfen und Gleitlager. Die Betriebstemperaturen im Zapfen-bzw. Gleitlagerbereich steigen häufig stark genug an, um im wesentlichen das gesamte verbleibende Schmiermittel zu verdampfen oder zu oxydieren, und dies bewirkt, daß die Lagerzapfen und Gleitlager rasch durch Abnutzung, Riefenbildung oder Festfressen ausfallen. Die Menge der Reibungshitze steht in Beziehung zu den Betriebsparametern des Drehmoments, der Umdrehungsgeschwindigkeit und des Versatzwinkels.

Universalgelenke haben dann besonders schwierige Einsatzbedingungen, wenn sie für die mechanische Verbindung in Mehrfachspindelbohrkopfmaschinen verwendet werden. Mehrfachspindelbohrkopf-

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maschinen haben eine Anzahl von Spindeln, die im gleichen Kopf vom gleichen Rad angetrieben werden. Das Drehmoment vom Antriebszahnrad wird auf jede Spindel über eine Zwischenwelle übertragen, die an beiden Enden Universalgelenksverbindungen aufweist. Die Drehmomentsgrößen an den Universalgelenken ändern sich je nach dem zu bearbeitenden Material und dem ausgeführten Arbeitsgang. Es ist jedoch nicht ungewöhnlich, daß die Drehmomentgröße intermittierend zunimmt.Dies passiert dann, wenn das Werkzeug in das bearbeitete Material "hineinbeißt", wie das häufig am Ende des Bohrzyklus passiert, wenn das Werkzeug durch den Werkstoff durchbricht. Typische Drehgeschwindigkeiten sind ungefähr 1800/min, aber es können auch bis zu 2500/min erreicht werden. Unter normalen Umständen müssen diese Universalgelenke alle drei bis vier Monate ersetzt werden, und zwar normalerweise wegen eines auf Schmierungsmängeln beruhenden Ausfalles. Wenn extrem hohe Drehmomentwerte angetroffen werden, müssen die Universalgelenke möglicherweise nicht weniger als einmal wöchentlich ausgetauscht werden.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Lebensdauer der bei Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsanwendungen, insbesondere in Mehrfachspindelbohrkopfmaschinen eingesetzten Universalgelenke zu verlängern. Es ist bekannt, daß die Schmiermittelzirkulation dadurch erleichtert wird/ daß die Abmessungstoleranzen in der Größenordnung von 0.005mm Außendurchmesser des Lagerzapfens und beim Innendurchmesser des Gleitlagers gehalten werden. Eine solche Feinmechanik ist jedoch sehr kostspielig. Um ständig den Schmiermittelfilm im Universalgelenk aufzufüllen, wird manchmal das gesamte Universalgelenk in eine flexible Hülle eingeschlossen, die mit Schmiermittel gefüllt ist, dies ist jedoch teuer und erhöht den Durchmesser des Universalgelenkes beträchtlich. Wo also der verfügbare Raum klein ist, wie zum Beispiel in einem Mehrfachspindelbohrkopf, ist es nicht praktisch, solche in einem mit Schmiermittel gefüllten Gehäuse eingeschlossenen Universalgelenke größeren Durchmessers zu verwenden. Außerdem ist das Brechen der Hülle und das Austreten

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des Schmiermittels möglich. Mehrere Mehrfachspindelbohrkopfmaschinen haben eine Drucksprüheinrichtung für Schmiermittel, die auf das Universalgelenk in der Nähe der Gleitlager gerichtet ist. Dies hat sich als marginal erfolgreich erwiesen, jedoch führen hohe Temperaturen immer noch zum Verlust des Schmiermittelfilmes zwischen dem Lagerzapfen und dem Gleitlager.

Frühere Versuche zur Verlängerung der Lebensdauer von Universalgelenken beim Einsatz mit hoher Geschwindigkeit und hohem Drehmoment waren darauf gerichtet, den Schmiermittelfilm aufzufüllen oder dessen Verteilung zwischen Lagerzapfen und Gleitlager zu verbessern.

Da das Zusammenbrechen des Schmierfilmes im wesentlichen auf die Übermäßige Betriebstemperatur dieser Teile zurückzuführen ist, ist es eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zur Reduzierung dieser Betriebstemperatur zu schaffen.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Betriebstemperatur der Lagerzapfen und Gleitlager dadurch zu reduzieren, daß Hitze vom Inneren des Lagerzapfen- und Gleitlagerbereiches nach außerhalb des Universalgelenkes durch Hitzeübertragungsmittel abgeleitet wird und daß diese Hitze aus dem Universalgelenk über Hitzeabstrahlmittel abgegeben wird.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden.

IN DEN ZEICHNUNGEN ZEIGEN

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Fig. 1 eine Graphik mit der Darstellung der Dauerbetriebstemperatursteigerung aus der Umgebung in ⁰C in dem Bereich des Lagerzapfens und' des Gleitlagers als Funktion des Versatzwinkels in einem typischen, mit konstantem Drehmoment und drehzahlbetriebenem Universalgelenk;

Fig. 2 eine Darstellung der Dauerbetriebstemperatur in °C in dem Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers als Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit in einem typischen, mit einem konstanten Versatzwinkel von 5° und mit fünf verschiedenen Drehmomentwerten betriebenen Universalgelenk;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verwendung eines Universalgelenkes in einer Mehrfachspindelbohrkopfmaschine;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Universalgelenkes mit der Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine explodierte Querschnittszeichnung nach Fig. 4 längs der Linie A-A. Zur besseren Illustration der Geometrie der verschiedenen Teile sind im Querschnitt lediglich die Gabelösen und der Zentralblock gezeigt;

Fig. 6 eine Vorderansicht eines der in Fig. 5 gezeigten Lagerzapfens ;

Fig. 7 eine montierte Ansicht von Fig. 5 mit den Lagerzapfen, die ebenfalls im Querschnitt gezeigt werden;

Fig. 8 eine Vorderansicht des in den Figuren 4, 5 und 7 gezeigten Zentralblockes;

Fig. 9 eine Seitenansicht des in Fig. 8 gezeigten Zentralblockes;

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Fig.10 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 7 mit der Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig.11 eine perspektivische Ansicht eines Universalgelenkes mit der Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig.12 eine perspektivische Ansicht eines Universalgelenkes mit der Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die Auswirkung von Drehmoment, Versatzwinkel und Drehgeschwindigkeit auf die Dauerbetriebstemperatur im Lagerzapfen- und Gleitlagerbereich eines typischen, in einem Luftmedium arbeitenden Universalgelenkes. Eine auf den Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers gerichtete Infrarotkamera wurde zur Messung der Dauerbetriebstemperaturen in diesem Bereich verwendet.

In Fig. 1 kann gesehen werden, daß der Temperaturanstieg ausgehend von der Umgebungstemperatur bei konstantem Drehmoment und konstanter Drehzahl im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers dann schnell zunimmt, wenn der Versatzwinkel· erhöht wird. Bei einem Versatzwinkel von 10° und einer Drehzahl von 1800/min kann der Temperaturanstieg bis zu 200°C ausmachen. Es wurde zwar keine Prüfung bei höheren Versatzwinkeln ausgeführt, aber diese Graphik zeigt doch klar, daß die Betriebstemperaturen in dem Bereich der Lagerzapfen und Gleitlager leicht auf Niveaus ansteigen können, die durchaus weit über dem Entflammpunkt vieler organischer Schmiermittel liegen.

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Wie aus Fig. 2 entnommen werden kann, nimmt die Dauerbetriebstemperatur im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers sowohl mit steigender Drehzahl wie auch mit steigendem Drehmoment zu. In Fig. 2 wurde der Versatzwinkel konstant bei 5° gehalten.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Verwendung von Universalgelenken in einer Mehrfachspindelbohrkopfmaschine. Ein Spindelantrieb 21 wird von einer Hauptantriebswelle 23 angetrieben. Während in dieser Zeichnung nur eine Spindel 25 gezeigt wird, sind normalerweise mehrere solche in einem Bogen um die Hauptantriebsvorrichtung 23 angeordnete Spindeln vorhanden. Die Spindel 25 weist eine Antriebswelle 27, eine Zwischenverbindungswelle 29 und eine Abtriebswelle 31 auf. Zwei Universalgelenke 33 und die Zwischenverbindungswelle 29 schaffen eine mechanische Verbindung zur übertragrund des Drehmomentes von der Antriebswelle 27 zur Abtriebswelle 31. Die Abtriebswelle 31 hat normalerweise ein Aufspannfutter 35 zur Aufnahme eines Werkzeuges 37, das irgendeine Arbeit am Werkstück 39 ausführt. Zwei Düsen 40 sprühen ständig Schmiermittel in den Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers in den Universalgelenken 33.

Ein im allgemeinen großer Versatzwinkel· existiert zwischen der Zwischenverbindungswelle 29 einerseitS/Und der Antriebsbzw. Abtriebswelle 27 und 31 andererseits. Es ist nicht ungewöhnlich, daß dieser Versatzwinkel 22,5 Grad erreicht. Wie oben erwähnt liegt die Drehgeschwindigkeit der Spindel normalerweise bei ungefähr 1800 U/min,und während die Drehmomentwerte schwanken können, ist doch ein. Moment von 13,5 Nm nicht ungewöhnlich. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 ist es klar, daß viele Schmiermittel bei längeren Einsatzzeiten die Temperaturen nicht aushalten, die im Bereich der Lagerzapfen und des Gleitlagers erreicht werden. Während das Sprühen von Schmiermittel aus den Düsen 40 für einige Kühlung sorgt/ fallen diese Universalgelenke

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trotzdem normalerweise aufgrund der Oxydierung und der Verdampfung des Schmiermittelfilmes zwischen den Lagerzapfen und den Gleitlagern aus.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 4) wird ein Universalgelenk 41 konstruiert, das zwei im wesentlichen identische Gabeln 43 und 45 aufweist. Jede Gabel weist eine gerade Gabelwelle 4 7 mit kreisförmigem Querschnitt auf, die an einem Ende zwei diametral entgegengesetzte ösen 49 aufweist. Die Gabelösen definieren eine öffnung 50 zwischen denselben, in die die ösen der entgegengesetzten Gabel eingesetzt werden. Die Enden der Gabelwellen 47 können ein (nicht gezeigtes) Mittel zur Befestigung der Gabel an einer drehbaren Antriebs- oder Abtriebswelle aufweisen.

In an sich bekannter Art kann jede öse eine äußere gekrümmte Fläche 41 aufweisen, die möglicherweise mit der zylindrischen Fläche ihrer Gabelwelle zusammenfällt, und eine innere flache Innenfläche 53 gegenüber der gekrümmten Fläche 51, wobei sich die letztere von einer Innenabschlußwand 52 der öffnung 50 der Gabel bis zu einer Außenabschlußwand 55 der öse erstreckt. Häufig ist die Abschlußwand 55 halbkreisförmig und geht in gekrümmte Seitenwände 56 über.

Die ösen 49 in jeder Gabel sind so mit öffnungen versehen, daß sie fluchtige Gleitlager 57 bilden. Die genannten Gleitlager 57 sind um eine gemeinsame Achse herum angeordnet, die zur Mittellinie der jeweiligen Gabelwelle 4 7 rechtwinkelig ist.

Die Gabeln 43 und 45 sind so angeordnet/ daß ihre ösen 49 sich gegenüberstehen und daß sich die Achsen durch ihre jeweiligen Gleitlager 57 in rechten Winkeln schneiden.

Ein Zentralblock 59 liegt zwischen den ösen 49 der Gabeln 43 und 45 (Figuren 4, 5 und 7). Die Gesamtform ist die eines

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Würfels mit einer gekrümmten Fläche 60 oben und unten (Fig. 8 und 9). Der Zentralblock 59 weist zwei zylindrische Aufnahmebogen 61 auf, die zu den flachen Flächen 62 rechtwinkelig sind. Die Mittellinien der Aufnahmebohrungen 61 schneiden sich in rechten Winkeln. Eine kleine Rille 64 in den flachen Flächen 62 des Zentralblockes 59, die um den Aufnahmekanal 61 angeordnet ist, unterhält einen ölmeniskus zur Unterstützung der Schmiermittelverteilung an die Gleitlager

Der Zentralblock 59 ist so angeordnet, daß die Mittellinien der zwei Aufnahmebohrungen 61 jeweils mit der Achse eines Paares von Gleitlagern 57 (Fig. 5) fluchtig sind. Es ist genügend Abstand zwischen dem Zentralblock 51 und den Innenflächen 53 der ösen 49 geschaffen, um es dem Block zu ermöglichen, sich in Form einer Drehung um die Mittellinie beider Paare von Gleitlagern 57 zu bewegen.

Drei Lagerzapfen 63, 65 und 67 sind für die Verbindung der Gabeln 4 3 und 45 mit dem Zentralblock 59 vorgesehen (Figuren 5, 6 und 7).

Die bevorzugte Form des Lagerzapfens 63 ist die eines Zylinders (Figuren 5 und 6), der aufweist: einen zylindrischen hohlen Mittelteil 69, der gleichmäßig über die gesamte Längsachse des Zapfens verteilt ist; eine abgeschrägte Kante 71 an beiden Enden; zwei kreisförmige öffnungen 73, die so angeordnet sind, daß ihre Mittelpunkte auf einer Linie liegen, die rechtwinkelig zur Längsachse des Zapfens 63 am Mittelpunkt verläuft und diesen dort schneidet; und zwei parallele Flachstücke 75, die in ihrer Form rechtwinkelig sind und an der Außenfläche des Zapfens eine Aussparung aufweisen, wobei jedes dieser Flachstücke 75 um eine der kreisförmigen Öffnungen 73 herum zentriert ist.

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Wie in Fig. 5 zu sehen/ sind die bevorzugten Lagerzapfen und 67 im wesentlichen identisch. Jeder weist einen Zylinder auf, der seinerseits aufweist: einen zylindrischen hohlen Mittelteil 77, der gleichmäßig über die gesamte Längsachse des Zapfens angeordnet ist und an einem Ende eine Erweiterung aufweist; und eine äußere abgeschrägte Kante 79 an dem Ende, das dem erweiterten Ende des hohlen Mittelteiles 77 gegenüberliegt.

Wenn die Gabeln 43 und 45 und der Zentralblock 59 wie oben beschrieben und in den Figuren 4, 5 und 7 dargestellt angeordnet sind, ist es klar, daß zwei kontinuierliche Kanäle durch die Gleitlager 57 in den ösen 49 der Gabeln 43 und und den Aufnahmebohrungen 61 des Zentralblockes 59 gebildet werden. Der Drehzapfen 63 wird in den Kanal eingesetzt, der die Fortsetzung der Gleitlager 57 der Gabel 4 3 ist. Da der Durchmesserabstand zwischen den Gleitlagern und den Lagerzapfen normalerweise 0,025 bis 0,038 mm ausmacht, wird die Einsetzung durch die abgerundeten Kanten 71 erleichtert. Der Drehzapfen 63 ist so angeordnet, daß jedes Gleitlager 57 der Gabeln 43 um ein Ende des Zapfens 63 herum angeordnet ist. (Fig. 7). In dieser Weise kann jedes Ende des Lagerzapfens63 unabhängig funktionieren. Die die Mittelpunkte der kreisförmigen öffnungen 73 im Lagerzapfen 63 verbindende Linie ist so gelegt, daß sie mit der Linie der Achse der Gleitlager in der Gabel 45 zusammenfällt. Die Lagerzapfen 65 und 67 werden jeweils in ein Gleitlager 57 der Gabel 45 und in die Aufnahmebohrung 61 des Zentralblockes 59 (Fig. 5 und 7) eingesetzt. Das Ende jedes Lagerzapfens 65 und 67, das die abgeschrägte Kante 79 aufweist, wird gegen eines der rechtwinkeligen flachen Stücke 75 des Lagerzapfens 63 gestoßen

Erfindungsgemäß wird die Betriebstemperatur im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers dadurch gegenüber normalen Universalgelenken reduziert, daß Hitzeübertragungsmittel ein-

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gesetzt werden, um Hitze von dem Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers zu Hitzeabstrahlmitteln zu führen, die außerhalb der Fläche des Universalgelenkes liegen, um die Hitze von dem genannten Universalgelenk abzuleiten. Erfindungsgemäß umfassen die Hitzeübertragungsmittel zylindrische Hitzeübertragungskerne 81, 93 und 95 und die Hitzeabs trahlungsmittel umfassen plankonvexe Hitzeabstrahlungska- ' lotten 83, 87, 97 und 99. Der Hitzübertragungskern 81 weist ein freies Ende 82 auf, das durch den hohlen Zentralteil 77 des Lagerzapfens 65, die beiden kreisförmigen öffnungen 73 im Lagerzapfen 63 und den hohlen Mittelteil 77 des Lagerzapfens 67 (Figuren 5 und 7) durchgeschoben wird. Die Hitzeabstrahlkalotte 83,die am entgegengesetzten Ende des Hitzeübertragungskernes 81 liegt, hat eine abgeschrägte Schulter 45, die nur teilweise in das erweiterte Ende des hohlen Mittelteils 77 des Lagerzapfens 65 paßt. Der-Durchmesser des Hitzeübertragungskerns 81 ist groß genug gestaltet, um einen Kontakt zwischen seiner Fläche und der Innenfläche der hohlen Mittelteile 77 der Lagerzapfen 64 und 67 sicherzustellen. Die Hitzeabstrahlkalotte 8 7 ist am freien Ende 82 des Hitzeübertragungskernes 81 befestigt. Die Hitzeabstrahlkalotte 8 7 weist eine Schulter 89 und einen hohlen Mittelteil 91 auf, der an dem Ende erweitert ist, das am nächsten an der konvexen Fläche liegt (siehe gestrichelte Darstellung in Fig. 7). Ein Teil der Schulter 89 paßt in das erweiterte Ende des hohlen Mittelteils 77 'des Lagerzapfens 67. Das freie Ende 82 des Hitzeübertragungskernes 81 paßt in den hohlen Mittelteil 91 der Hitzeabstrahlkalotte 87. Der Hitzeübertragungskern 81 kann lang genug gestaltet werden, um sich bis in den erweiterten Abschnitt des hohlen Mittelteils 91 der Hitzeabstrahlkalotte 8 7 zu erstrecken. Die Hitzeabstrahlkalotte 87 kann dann an dem Hitzeübertragungskern 81 durch Verformung des freien Endes 82 des Kerns angeschlossen werden. Andere Mittel, wie z.B. Adhesive oder Schraubensicherungen,können ebenfalls Verwendung finden.Wenn einmal die Hitzeabstrahlkalotte 87 an den

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Hitzeübertragungskern 81 angeschlossen ist, sind die Lagerzapfen 63, 65 und 67 in ihrer Position blockiert (Fig.7).

Wie oben erwähnt, umfassen die Hitzeübertragungsmittel auch zwei kürzere zylindrische Hitzeübertragungskerne 93 und 95, die in die Enden des hohlen Mittelteils 69 des Lagerzapfens 63 eingeschoben werden. An den Hitzeübertragungskernen 93 und 95 sind jeweils plankonvexe Hitzeabstrahlkalotten 97 und 99 und quadratische Schultern 100. und 103 befestigt. Entsprechend den abgeschrägten Schultern 85 und 89 an den Hitzeabstrahlkalotten 83 und 87 schaffen die Schultern 100 und 103 einen Abstand zwischen den Hitzeabstrahlkalotten und der äußeren gekrümmten Fläche 51 der ösen 49. Die Hitzeübertragungskerne 93 und 95 haben Außendurchmesser, die so abgeschrägt sind, daß sie durch Druck in den hohlen Mittelteilen 69 des Lagerzapfens 63 eingepreßt werden können,womit ein enger Oberflächenkontakt zwischen den beiden Teilen sichergestellt wird.

Wenn das Universalgelenk 41 nach der Erfindung beschrieben wird, erzeugen Reibungskräfte zwischen den Lagerzapfen 63, 6 5 und 67 und den Gleitlagern 57 Hitze, wodurch die Temperatur des Lagerzapfen- und Gleitlagerbereiche erhöht wird. Während ein Teil der erzeugten Hitze direkt an die Luft von den Zapfen und Lagern abgegeben wird und einige in die Gabeln 43 und 45 sowie den Zentralblock 49 fließen und über diese an die Luft abgegeben wird, kann ein wesentlicher Teil zu Abstrahlkalotten 83, 87, 97 und 99 über die Hitzeübertragungskerne 81, 93 und 95 geführt werden. Ein enger Kontakt zwischen den Außenflächen der Hitzeübertragungskerne 81, 93 und 95 und den von den hohlen Mittelteilen 69 und 77 der Lagerzapfen 63, 65 und 6 7 gebildeten Flächen ermöglicht es der Hitze, durch die Berührungsfläche zwischen Lagerzapfen und Hitzeübertragungskern zu fließen.Diese Hitze wird dann zu den relativ kühlen Abstrahlkalotten 83, 87, 97 und

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geführt. Die Abstrahlkalotten weisen eine große Außenfläche zur Hitzeabgabe auf und liegen außerhalb der Universalgelenke 41, um Turbulenzen in der Umgebungsluft dann zu schaffen, wenn das Universalgelenk betrieben wird. Da die Temperatur der Abstrahlkalotten über die Temperatur der Umgebung ansteigt, fließt die Hitze natürlich durch die Berührungsfläche zwischen der Abstrahlkalottenoberfläche und der Luft. Durch Steigerung der von den Lagerzapfen und dem Bereich der Gleitlager abfließenden Hitze und durch Abgabe der Hitze an die umgebende Atmosphäre werden geringe Betriebstemperaturen erreicht.

Der Betrieb des Universalgelenkes 41 verursacht eine Rotation der Gabeln 43 und 45 um die Mittellinie ihrer Gabelwellen 47, so daß der Luftfluß um die Abstrahlkalotten 83,87 und 97 und 99 herum von der Drehzahl der Gabeln abhängt. Bei höherer Drehgeschwindigkeit des Universalgelenkes 41 entsteht eine größere Hitze in den Lagerzapfen und im Bereich der Gleitlager (Fig. 2), andererseits wird die Entfernung der Hitze durch den gesteigerten Luftfluß um die Abstrahlkalotten herum erleichtert. Der Wärmefluß durch die Abstrahlkalotten-Luft-Verbindungsfläche hängt auch von der Gesamtfläche dieser Verbindungsfläche ab. Aus diesem Grunde haben die konvexen Teile der Abstrahlkalotten 83, 87, 97 und 99 einen großen Radius, und die oben erwähnten Schultern 85, 89, 100 und 103 gestatten einen Luftfluß durch die plane Fläche der Abstrahlkalotten. Der Gesamtdurchmesser des Universalgelenkes mit den Abstrahlkalotten ist im Vergleich zu dem vorher erwähnten mit Schmiermittel gefüllten Schuh gering. Auch sind keine scharfen rotierenden Kanten vorhanden, die einen Arbeitnehmer verletzen könnten.

Es wurde entsprechend festgestellt, daß die Betriebstemperatur der Gleitlager 57 und der Lagerzapfen 63, 65 und 67 geringer ist und die Lebensdauer des Gelenkes deshalb zunahm,

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weil der Schmiermittelfilm zwischen diesen Teilen nicht ebenso schnell wie bei herkömmlichen Universalgelenken oxydiert oder verdampft wird.

Die Geschwindigkeit der Oxydierung und Verdampfung des Schmiermittelfilmes ist eine Funktion von Zeit, Temperatur und eingesetztem Schmiermitteltyp. Wie oben erwähnt und in Fig. 3 gezeigt, sind Universalgelenke, die bei hoher Geschwindigkeit und bei hohem Drehmoment eingesetzt werden, häufig sprühölgeschmiert. Synthetische öle bestehen ebenso wie Erdöldestillate im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Diese Kohlenwasserstoffe unterliegen der Oxydation durch einen Mechanismus freier Radikale. Es können zwar Oxydierhemmer verwendet werden, um diesen Reaktionsmechanismus zu inhibieren, die Oxydation bleibt aber trotzdem eine Funktion der Schmiermitteltemperatur und sie ist bei den normalerweise im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers erreichten Temperaturen beträchtlich. Die Oxydation des Schmiermittels ist fast immer eine exothermische Reaktion,und dementsprechend steigert die Oxydation tendenziell die Oxydationsgeschwindigkeit. Wenn die aus der Oxydation stammende Hitze nicht rasch genug abgeführt werden kann, kann es zu einer Verbrennung des Schmiermittels kommen. Wenn das Schmiermittel hohen Temperaturen (über ungefähr 300⁰C) ausgesetzt wird, führt dies normalerweise zu einer raschen Beeinträchtigung bzw. zu einem Aufbrechen der Polymerketten (Pyrolyse). Dieses Aufbrechen ist ebenfalls ein Mechanismus freier Radikale und wird auch durch Oxydation beschleunigt. Da Kohlenwasserstoffe mit langen Molekülketten durch Oxydation und Pyrolyse aufgebrochen werden, bilden sie wichtige Verbindungen mit kurzen Ketten. Diese Verbindungen werden rasch als Dampf abgeleitet, und der Schmiermittelfilm zwischen den Lagerzapfen und den Gleitlagern wird dadurch abgebaut .

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Wenn die Temperatur der Lagerzapfen und der Gleitlager hoch genug ist, wird die Abbaugeschwindigkeit die Auffüllgeschwindigkeit des SchmiermitteIfilmes zwischen diesen Teilen überschreiten. Dies tritt unabhängig davon ein, ob die Schmiermittelauffüllung kontinuierlich ist, wie das bei einer Sprühung der Fall ist, oder nur periodisch. Wenn das Universalgelenk während einer genügend langen Zeit betrieben wird, um einen im wesentlichen vollständigen Abbau des Schmiermittelfilmes zu erreichen, werden die Lagerzapfen und die Gleitlager durch Riefenbildung, Festfressen oder übermäßige Abnutzung ausfallen. Die Temperatur, bei der der Schmiermittelfilm innerhalb der Zeitdauer eines normalen Arbeitsspiels des Universalgelenkes vollständig abgebaut würde, wird hierin als Schmiermittelabbautemperatur bezeichnet. Erfindungsgemäß werden Hitzeübertragungs- und Hitzeabstrahlmittel dazu verwendet, um die Temperatur des Bereiches des Lagerzapfens und des Gleitlagers unter der Schm-iermitte labbau tempera tür zu halten. Vorzugsweise soll im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers eine Betriebstemperatur in der Gegend von 70 - 80⁰C herrschen.

Die erreichte Betriebstemperatur ist eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit der Hitzeübertragungskerne 81, 93 und 95 und der Abstrahlkalotten 83, 87, 97 und 99. Erfindungsgemäß wird ein Weg mit relativ geringem Widerstand für verstärkten Wärmeabfluß dadurch geschaffen, daß die Hitzeübertragungskerne und die Abstrahlkalotten aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (K) geschaffen werden. Die Gabeln 43 und 45, der Zentralblock 59 und die Lagerzapfen 63, 65 und 67 werden im allgemeinen aus Stahl gefertigt (K ungefähr gleich 0.11 kal./cm²/cm/°C/sek.). In der in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden Hitzeübertragungskerne 81, 93 und 95 und Abstrahlkalotten 83, 87, 97 und 99 aus Messing (K ungefähr gleich 0.30 kal/cm²/cm/°C/sek) benutzt. Während Messing einerseits ein ausgezeichneter Wärmeleiter

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ist, ist es auch ein sehr geschmeidiges Metall. Es ist deshalb besonders gut für Nietvorgänge und Preßsitze geeignet, die dazu verwendet werden, die Hitzeübertragungskerne und die Abstrahlkalotten zu befestigen. Andere Materialien, wie z,B. andere Metalle, Legierungen oder Epoxyharze mit Metalldrahteinlagen, können dazu verwendet werden, die Hitzeübertragungskerne und die Abstrahlkalotten zu fabrizieren. Während die mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials wichtig sind, ist natürlich eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit ein vorrangiges Problem.

Die Verwendung von Hitzeübertragungskernen und Abstrahlkalotten führt zu wesentlich geringeren Betriebstemperaturen im Bereich der Lagerzapfen und der Gleitlager. Ein Universalgelenk ähnlich zu dem in Fig. 4 gezeigten mit einer Gesamtlänge von ungefähr 114 mm und einem Gabelwellendurchmesser von ungefähr 38 mm wurde mit und ohne Messinghitzeübertragungskerne und-Abstrahlkalotten betrieben. Das Universalgelenk wurde mit einer Drehzahl von 2200 U/min und einem Drehmoment von 11,3 Nm und einem Versatzwinkel von 5° betrieben. Die Verwendung der Hitzeübertragungskerne und der Abstrahlkalotten reduzierte die Dauerbetriebstemperatur im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers um ungefähr 2O⁰C.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Vier im wesentlichen identische Lagerzapfen 111 wurden durch die Gleitlager 57 von Gabeln 43 und 45 eingeschoben und in den Zentralblock 59 unter Druck eingesetzt. Die Lagerzapfen 111 weisen abgeschrägte Kanten 113 (zur Erleichterung des Einsatzes in den Zentralblock 59) und hohle Mittelteile 115 zur Aufnahme der Hitzeübertragungskerne 117 auf. Sämtliche Hitzeübertragungskerne 117 wurden in die hohlen Mittelteile 115 der Lagerzapfen 111 eingepreßt. Jeder Hitzeübertragungskern 117 weist eine plankonvenxe Abstrahlkalotte 119 an einem Ende auf, das von der

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Hitzeabstrahlkalotten dadurch erhöht/ daß die Hitzeabstrahlkalotte 145 mit einer Mehrzahl von Rillen 147 versehen wurde.

Die gesamten oben beschriebenen Geräte werden dazu verwendet, die nutzbare Lebensdauer von Universalgelenken zu erhöhen. Wie erwähnt beruht der Ausfall von Universalgelenken häufig auf einem Schmierungsmangel zwischen dem Lagerzapfen und dem Gleitlager. Es wird ein Verfahren verwendet, das den Verlust dieses Schmiermittels verhindert. Wie durch alle hierin gezeigten Ausführungsbeispiele illustriert, wird der Schmiermittelverlust dadurch verhindert, daß die Betriebstemperatur im Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers reduziert wird. Diese Reduzierung der Betriebstemperatur wird dadurch erreicht, daß Hitze vom inneren Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers nach außerhalb der Außenfläche des Universalgelenkes durch Hitzeübertragungsmittel geleitet wird und anschließend dort durch Hitzeabstrahlmittel abgegeben wird. Ein kontinuierliches "Abpumpen" aus dem Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers in dieser Weise hilft dabei, die Betriebstemperatur unterhalb der Schmiermittelabbautemperatur zu halten.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß ein neuartiges Verfahren und mehrere Geräte für die Erweiterung der Lebensdauer von Universalgelenken beschrieben wurde. Das Verfahren und das Gerät beziehen sich auf Mittel zur Reduzierung der Betriebstemperatur des Bereiches des Lagerzapfens und des Gleitlagers bei den Universalgelenken, um Oxydationen und Verdampfung des Schmiermittelfilmes zwischen den Lagerzapfen und Gleitlagern zu verhindern, während frühere Versuche darauf gerichtet waren, die Verteilung und das Auffüllen dieses Schmiermittelfilmes zu unterstützen. Auch wird die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs des Gelenks erfindungsgemäß reduziert.

Verschiedene Konfigurationen bzw. Materialien der Hitzeübertragungs- und Hitzeabstrahlmittel können je nach dem Grad der für

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ein bestimmtes Schmiermittel und bestimmte Betriebsparameter der Drehgeschwindigkeit, des Drehmomentniveaus und des Versatzwinkels notwendigen Kühlung verwendet werden.

Es sollte klar sein, daß,obwohl einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, verschiedene Varianten für den Fachmann naheliegend sind und daß dementsprechend der Rahmen der Erfindung lediglich durch die folgenden Patentansprüche und deren Äquivalente bestimmt wird.

-If-

Leerseite

Claims

Patentansprüche

\J Universalgelenk vom Zapfen-Block-Typ mit Gabeln, die drehbar mit dem genannten Block über Lagerzapfen und Gleitlager verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Hitzeübertragungsmittel vorgesehen sind, um Hitze vom Innern des Lagerzapfen- und Gleitlagerbereiches (57) nach außerhalb der Außenfläche des genannten Universalgelenkes (41) abzuführen,

und daß mit den Hitzeübertragungsmitteln (81 , 93, 95) in thermischer Verbindung stehende, außerhalb der Außenflächen des Universalgelenkes liegende Hitzeabstrahlmittel (83, 87, 97, 99) eine substantielle Menge der durch die Hitzeübertragungsmittel geführten Wärme ableiten, wodurch die Temperatur des Lagerzapfens und Gleitlagers reduziert wird.
2. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Universalgelenk (41) ein Schmiermittel zwischen den Lagerzapfen (63, 65, 67) und den Gleitlagern (57) aufweist.

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und daß die Hitzeübertragungsmittel und die Abstrahlmittel die Temperatur der Gleitlager und Lagerzapfen reduzieren und unterhalb der Abbautemperatur des Schmiermittels halten.
3. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Hitzeabstrahlmittel die Form einer plan-konvexen Kalotte hat.
4. Universalgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die plan-konvexe Kalotte eine Mehrzahl von Rillen (147) in der konvexen Oberfläche aufweist.
5. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das Hitzeabstrahlmittel (83, 87, 97, 99) von der Außenfläche des Universalgelenkes räumlich getrennt ist.
6. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzeabstrahlmittel (83, 87, 97, 99) aus Messing hergestellt ist.
7. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Lagerzapfen einen hohlen Mittelteil hat, in den das Hitzeübertragungsmittel in Form eines Hitzeübertragungskernes (81, 93, 95) eingesetzt wird.
8. Universalgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Hitzeübertragungskern (81, 93, 95) aus Messing hergestellt ist.
9. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzeübertragungsmittel (81,93,95) aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Material, aus dem die Lagerzapfen und Gleitlager gefertigt sind.

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10. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzeabstrahlmittel (83,87,97,99) aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Material, aus dem die Lagerzapfen und Gleitlager gefertigt sind.
11. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeübertragungsmittel (81,93,95) und die Hitzeabstrahlmittel (83,87,97,99) in Form von erweiterten Lagerzapfen ausgebildet sind.
12. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlmittel (83,87,97,99) in Form von Leitblechen in thermischer Verbindung mit dem gesamten Block ausgebildet sind.
13. Verfahren zur Erweiterung der nutzbaren Lebensdauer eines Universalgelenkes vom Zapfen-Block-Typ mit Gabeln, die drehbar mit dem Block über Lagerzapfen und Gleitlager verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

daß Hitze vom inneren Bereich der Lagerzapfen- und Gleitlagerbereiche nach außerhalb der Außenfläche des Universalgelenkes durch Hitzeübertragungsmittel geführt wird,

daß ein Hitzeabstrahlmittel außerhalb der Außenfläche des Universalgelenkes geschaffen wird, wobei das Hitzeabstrahlmittel in thermischer Verbindung mit den Hitzeübertragungsmitteln steht, und daß von den Abstrahlmitteln die dorthin durch die genannten Hitzeübertragungsmittel geführte Wärme abgestrahlt wird, um die Temperatur im Innern des Bereiches des Lagerzapfens und des Gleitlagers zu reduzieren.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß das Hitzeabstrahlmittel die Form einer plan-konvexen Kalotte hat.

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15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die plan-konvexe Kalotte mit einer Mehrzahl von Rillen versehen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die H it ze ab strahlmittel von der Außenfläche des Universalgelenkes getrennt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlmittel aus Messing gefertigt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens einer der Lagerzapfen mit einem hohlen Mittelteil versehen wird,

und daß die Hitzeübertragungsmittel in Form eines Hitzeübertragungskernes in den hohlen Mittelteil eingesetzt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeübertragungsmittel aus Messing gefertigt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hitzeübertragungsmittel aus einem Material mit höherer thermischer Leitfähigkeit gefertigt werden als das Material, aus dem die Lagerzapfen und Gleitlager gefertigt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das H it ze ab strahlmittel aus dem Material gefertigt wird, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als das Material, aus dem die Lagerzapfen und Gleitlager gefertigt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 13,. dadurch gekennzeichnet,

daß die Hitzeübertragungs- und Hitzeabstrahlmittel in Form von erweiterten Lagerzapfen ausgebildet werden.

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23. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlmittel in Form von mit dem Block in thermischer Verbindung stehenden Leitblechen ausgebildet werden.
24. Zapfen-Block-Universalgelenk, bei dem Gabeln drehbar mit dem Block durch Lagerzapfen und Gleitlager verbunden sind, wobei diese Kombination gekennzeichnet ist durch einen hohlen Mittelteil in mindestens einem der Lagerzapfen, einen in den hohlen Mittelteil eingesetzten Hitzeübertragungskern, wobei der Hitzeübertragungskern aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Leitfähigkeit aufweist als das für den Lagerzapfen verwendete Material, und in thermischer Verbindung mit dem Lagerzapfen steht,

und durch eine Hitzeabstrahlkalotte in thermischer Verbindung mit dem Hitzeübertragungskern, wobei die Hitzeabstrahlkalotte aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, als das für den Lagerzapfen verwendete Material, und neben der Außenfläche des Universalgelenkes in der Weise liegt, daß eine wesentliche Wärmemenge von dem Hitzeübertragungskern aus dem Bereich des Lagerzapfens und des Gleitlagers zu der Hitzeabstrahlkalotte geführt und dadurch von dem Universalgelenk abgeleitet werden kann, um die Temperatur der Drehzapfen und Gleitlager zu reduzieren.
25. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeübertragungskern aus Messing gefertigt ist.
26. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlkalotte aus Messing gefertigt ist.
27. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlkalotte eine Mehrzahl von Rillen aufweist.
28. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Hitzeabstrahlkalotte plan-konvex ist.
29. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlkalotte von der Außenfläche des Universalgelenkes räumlich getrennt ist.
30. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlkalotte mit dem Universalgelenk durch Preßsitz verbunden ist.
31. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeabstrahlkalotte mit dem Universalgelenk durch Nieten verbunden ist.
32. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeübertragungskern mit dem Universalgelenk durch einen Preßsitz verbunden ist.
33. Universalgelenk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeübertragungskern und die Hitzeabstrahlkalotte auch als Verriegelungselement zur Befestigung der Gesamtheit der Teile dient, die das Universalgelenk bilden.