DE3318504A1 - Kreuzgelenk - Google Patents

Description

331850A

Dana Corporation - A 14 664 -

Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk oder Kardangelenk und insbesondere ein Joch oder einen Gabelkopf für solche Gelenke.

Die Joche von Kreuzgelenken sind üblicherweise aus geschmiedetem Stahl hergestellt, wegen dessen hoher Festigkeit. Insbesondere bei Hochleistungsgelenken sind die Festigkeit und die Torsionssteifigkeit, aber auch das Gewicht, kritische Punkte. Geschmiedeter Stahl ist ein erwiesenermaßen zuverlässiges Material, das jedoch sehr teuer ist, insbesondere weil es umfangreiche Wärmebehandlung und Verarbeitung erfordert.

Mit zunehmenden Energiekosten ist versucht worden, die Kosten von Teilen aus geschmiedetem Stahl zu reduzieren, durch Ersatz mit anderen Materialien. Einige exotische Materialien könnten geeignete Substitute sein, ihre Kosten sind aber ebenfalls sehr hoch. In manchen Fällen wurde versucht, den geschmiedeten Stahl durch Gußeisen zu ersetzen, jedoch nur mit begrenztem Erfolg und auch nur bei kleinen Jochen, die keinaibesonderen Belastungen ausgesetzt waren.

Bei Hochleistungsgelenken war eine einfache Substitution durch Grauguß wegen dessen Charakteristiken, insbesondere seiner niedrigeren Ermüdungsfestigkeit, nicht möglich. Gußmaterialien sind empfindlicher gegen Spannungsspitzen, die in kritischen Bereichen des Bauteiles auftreten können.

Aus diesen Gründen werden in der Industrie für Hochleistungs-Kreuzgelenke anstelle von geschmiedetem Stahl_s teure, sogenannte exotische Materialien verwendet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, anstelle des geschmiedeten Stahls ein billigeres Material zu verwenden.

Das Kreuzgelenk nach der Erfindung, insbesondere der Gabelkopf oder das Joch, kann aus Gußeisen hergestellt werden. Hierzu ist weniger Energie erforderlich, als für die bisherigen Geräte dieser Art. Das Joch hat eine ausreichende Torsionsfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit zur'Anwendung für Hochleistungsfälle.

Das erfindungsgemä'ße Joch besteht aus einem Körper mit einer axial verlaufenden Nut und zwei mit ihm mittels einer Halterung verbundenen Ansätzen. Die Halterung ist mit Schultern zwischen den Ansätzen und dem Körper versehen. In einer bevorzugten AusfUhrungsform ist die innere Fläche der Halterung mit einem Radius versehen, der etwa gleich 20-50% des Abstandes zwischen den Ansätzen beträgt. Vorzugsweise ist der mit der Nut versehene Körper rohrförmig ausgebildet und die Halterung umfaßt eine ringförmige Übergangsfläche zwischen den Schultern und dem rohrförmigen Teil, wobei die Übergangsfläche in einem Winkel von bis sy 45° > relativ zur Achse des rohrförmigen Teiles verläuft.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 in Vorderansicht ein bekanntes Joch zeigt.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Joches nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Joch nach den Fig. 1 und 2.

Fig. 4 zeigt in Vorderansicht ein Joch nach der Erfindung.

Fig. 5 zeigt das Joch nach Fig. 4 in Seitenansicht.

Fig. 6 zeigt das Joch nach den Fig. 4 und 5 in Draufsicht.

/um besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein bekanntes Joch beschrieben.

.5.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen ein typisches Joch 10 aus geschmiedetem Stahl. Das Joch umfaßt einen hohlen Körper oder zylindrischen Schaft 12 mit einer inneren Keilverzahnung 14, die sich axial durch den Schaft 12 erstreckt. Das Joch 10 hat eine Längsachse 18, um welche es drehbar ist. Der Schaft dient zur Aufnahme einer nicht-gezeigten Welle, die eine passende Keilverzahnung hat, die in die Keilverzahnung 14 des Schaftes 12 eingreift und ein Drehmoment übertragen kann, jedoch axial verschiebbar in dieser ist. Der Schaft 12 hat ein erstes Ende 17 mit einem Außengewinde zum Aufschrauben einer nicht-gezeigten Abdeckkappe, die gegenüber der Welle abdichtet, wie bekannt. Der äußere, mittlere Abschnitt des Schaftes 12 hat äußere, zylindrische Flächen 19, die abgestuft ausgebildet sein können, wie dargestellt. Wenn einer der zylindrischen Abschnitte 19 einen kleineren Durchmesser hat als der andere, ist es gewöhnlich derjenige mit dem mit Gewinde versehenen Ende 17.

Entgegengesetzt zu dem Ende 17 hat das Joch zwei symmetrisch und radial im Abstand angeordnete Augen oder Ansätze 16. Jeder Ansatz enthält eine Lagerbohrung 22 zur Aufnahme eines Kreuzgelenk-Lagerzapfens. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Außenflächen der Ansätze 16 mit Gewindelöchern 23 zur Aufnahme von Deckel schrauben versehen₉ die einen äußeren Lagerring halten.

Die Ansätze 16 sind mit dem Schaft 12 über einen Bügel 24 verbunden, der zwei Arme 26 aufweist, von denen je einer mit je einem Ansatz 16 verbunden ist, ferner zwei Schultern 28_S von denen je eine mit je einem Arm 26 verbunden ist, eine Oberfläche 48 angrenzend an die Schultern 28 und einen Übergangsbereich 50, der die Oberfläche 48 mit dem Schaft 12 verbindet. Der kegelförmige Übergangsbereich 50 bildet relativ zu der Achse 18 des Joches einen Winkel 52 von 60°. In der Oberfläche 48 ist ein mit Gewinde versehenes Schmierloch 51 zur Aufnahme eines Schmiernippels ausgebildet. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Breite 38 der Arme 26 kleiner als die Breite 39 der Ansätze 16.

Jeder Ansatz 16 hat eine innere Oberfläche 30 unmittelbar direkt unterhalb seiner entsprechenden Lagerbohrung 22. Der Abstand zwischen diesen

Flächen 30 in einer Ebene senkrecht zur Achse 18 ist in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 34 bezeichnet. Der Bügel 24 definiert eine innere Oberfläche, welche die inneren Biigelflächen 32 umfaßt, von denen jede von der jeweiligen Fläche 30 zu einem Boden 35 verläuft, der die beiden Flächen 32 verbindet. In der inneren Oberfläche des Bügels 24 sind ferner gegenüberliegende Nuten 43 ausgebildet, die symmetrisch im Abstand zwischen den Ansätzen 16 liegen. Die Nuten oder Aussparungen 43 bilden Entlastungsbereiche, um eine maximale Winkelstellung des Kreuzgelenkes zu ermöglichen, wie an sich bekannt. Der Boden 35 ist relativ eben und er enthält eine Ausgleichsbohrung 40, die dazu dient, das Joch 10 in Drehrichtung um die Achse 18 auszugleichen bzw. auszuwuchten. Im Boden 35 ist ferner eine Gegenbohrung 15 zur Aufnahme einer nicht-gezeigten Abdeckkappe ausgebildet, welche die Verzahnung 14 gegen Staub und Schmutz schützt.

Die Flächen 32 haben zwischen den Flächen 30 und dem Boden 35 einen relativ kleinen Krümmungsradius 36. Der Radius 36 ist relativ klein, um einen möglichst großen, ebenen Boden 35 zu ermöglichen, zur Ausbildung von Ausgleichsbohrungen, wie z.B. die Bohrung 40. Ein großer Radius 36 wird vermieden wegen der Schwierigkeit der Ausbildung von Ausgleichsbohrungen in gerümmten Flächen.

Die Oberfläche 48 ist zylindrisch und hat einen relativ großen Durchmesser, um einen Abstand zwischen dem Schmiermittel und der Verzahnung 14 zu schaffen. Die Fläche 48 hat auch deswegen einen großen Durchmesser, weil es sich um einen stark beanspruchten Bereich handelt und weil infolge der Bohrung 51 Probleme hinsichtlich der Beanspruchung, insbesondere Ermüdungsprobleme, auftreten. Der Bereich 48 ist ferner hoch beansprucht, weil die zugehörige Welle gewöhnlich in diesem Bereich endigt und damit als Hebel direkt unter diesem Bereich 48 wirkt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Wie Fig. 4 zeigt, umfaßt das Joch 110 einen hohlen Schaft 112 mit einer Keilverzahnung 114, und es ist drehbar um eine Längsachse 118. Der Schaft hat äußere, zylindrische Oberflächen 119, von denen eine an ihrem Ende mit einem Gewinde versehen ist.

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Das Joch 110 hat zwei Ansätze 116, jeder mit einer Lagerbohrung 122 und Gewindelöchern 123 für einen Deckel. Die Ansätze 116 haben eine größere Dicke als die Ansätze bei Jochen aus geschmiedetem Stahl, um ihnen zusätzliche Torsionsfestigkeit zu geben. Die Ansätze sind mit dem Schaft über einen Bügel 124 verbunden, der Arme 126, Schultern'128, eine Fläche 148 mit einer Schmieröffnung 151 und einen Übergangsbereich 150 aufweist.

Der Übergangsbereich 150 bildet einen Winkel 152 von 15° relativ zur Achse 118 des Schaftes. Es wurde gefunden, daß durch einen mäßig geneigten Übergangsbereichs wie der Bereich 50, Spannungsspitzen, die im Übergangsbereich auftreten können, wesentlich eliminiert werden. Während eine Schräge von 15° bevorzugt wird, können Schrägungswinkel von bis zu etwa 45° als geeignet angesehen werden. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, daß die schwach abgeschrägte Übergangszone 150 einen idealen Bereich zum Gießen des Joches bietet.

Jeder Ansatz 116 hat eine innere Oberfläche 130, unmittelbar und direkt unterhalb den Lagerbohrungen 122. Der Abstand zwischen diesen Flächen in einer Ebene senkrecht zur Achse 118 ist mit 134 bezeichnet. Der Bügel 124 hat eine Innenfläche, bestehend aus inneren Flächen 132, von denen jede sich von einer der Flächen 130 bis zu einem Boden 135 erstreckt, der die beiden Flächen 132 verbindet. Im Boden 135 ist eine Bohrung 115 zur Halterung einer nicht-gezeigten Abdeckkappe ausgebildet. In der inneren Oberfläche des Bügels 124 sind ferner gegenüberliegende Aussparungen 143 ausgebildet, um einen maximalen Schwenkwinkel zwischen zwei zusammenwirkenden Jochen zu ermöglichen.

Der Krümmungsradius 136 der Flächen 132 zwischen den Flächen 130 und dem Boden 135 ist groß, er liegt etwa zwischen 20% und 50% des Abstandes 134. Ein großer Radius 136 verstärkt den Bügel 124 und erhöht die Festigkeit der Verbindung zum Schaft. Er verbessert ferner die zentrifugale Steifigkeit und die Ermüdungsfestigkeit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Radius 136 eine Größe von 24% des Abstandes 134. Wenn der Radius

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gleich 50% des Abstandes 134 ist, bilden die Flächen 132 eine einzige gekrümmte Oberfläche zwischen den Bereichen 130. Ein Radius 136 von mehr als 50% des Abstandes 134 ist nicht erwünscht, weil er zu Ecken bzw. Kerben zwischen den Flächen 130 und 135 führen würde. Im Hinblick auf den großen Radius 136 ist ein relativ ebener eliptischer Bereich 141 (Fig. 6) für die Bohrung 115 für die Abdeckkappe vorgesehen.

Wie Fig. 5 zeigt, ist die Breite 138 der Arme 126 wenigstens so groß wie die Breite 139 der Ansätze 116. Die große Breite 138 zusammen mit ihrer erhöhten Dicke steigert die radiale und die Torsionssteifigkeit und sie hat einen Ansatz 116 zur Folge, der Torsionskräfte besser aufnehmen kann. Die Erfindung ermöglicht somit die Verwendung von Gußeisen, insbesondere in großen Jochen, die bisher den auftretenden Belastungen nicht widerstehen konnten.

Eine Ausgleichsbohrung 140 ist in der Außenfläche 131 von einem der Ansätze 116 ausgebildet. Die höhere Breite 138 der Arme 126 schafft einen ausreichenden Bereich für Ausgleichsbohrungen, ohne den Ansatz unzulässig zu schwächen. Obwohl das spezifische Gewicht von Gußeisen nur etwa 90% von dem des geschmiedeten Stahls beträgt, ist die Ausgleichsbohrung 140 ebenso wirksam wie die Ausgleichsbohrung 40 im Boden des bekannten Joches, weil die Ausgleichsbohrung 140 einen größeren radialen Abstand von der Jochachse 118 hat.

Die Erfindung ermöglicht den Ersatz von geschmiedetem Stahl für das Joch durch Gußeisen. Obwohl das gußeisene Joch 110 massiver ist als die bisherigen Joche aus Schmiedestahl, ist sein Gewicht nicht höher als das der Stahl-Joche, eben weil das spezifische Gewicht des Gußeisens etwa 90% von demjenigen des Schmiedestahles beträgt. Das spezifische Gewicht von Gußeisen beträgt etwa

2
7,07 g/cm , während das spezifische Gewicht von geschmiedetem Stahl etwa

3
7,82 g/cm beträgt. Das verwendete Gußeisen für das Joch 110 ist ein perlitisches duktiles Eisen (SAE Spezifikation Nr. D7003). Das Gußeisen hat eine Zugfestigkeit von etwa 70,2 kp/nim² und eine Streckgrenze von etwa 49,1 kp/mnr'. Sein Dehnungsfaktor liegt bei 3-5% und sein Elastizitäts-

. I.

modul beträgt etwa 1,54 - 1,68 χ 10 kp/crn*. Das Material hat eine Rockwell härte von £20-30 und eine Brine!!härte von 229-285 BHN.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit Kreuzgelenken, insbesondere den Jochen oder Gabel köpfen von Kreuzgelenken beschrieben, sie eignet sich aber auch für andere Universalgelenke.

Claims (6)

1. Dana Corporation - Λ 14 664 -

   Patentansprüche

   M. Kreuzgelenk mit einem Joch, bestehend aus einem axialen Schaft mit Keil verzahnung zum Eingriff mit einer keilverzahnten Welle, zwei axial sich erstreckenden Ansätzen» die symmetrisch zur Achse des Schaftes angeordnet sind und von denen jeder eine Lagerbohrung enthält, die quer zu dieser Achse verlaufen und miteinander fluchten, einem Büge,!, der die beiden Ansätze mit dem Schaft verbindet und der zwei Arme und zwei Schultern aufweist, dadurch ■ gekennzeichnet daß jeder Ansatz (116) eine Innenfläche (130) aufweist, die an die jeweilige Lagerbohrung (122) angrenzt, daß ferner der Bügel (124) wenigstens eine Innenfläche (132) aufweist, die sich von wenigstens einer der Innenflächen (130) zu einem Bereich (135) erstreckt, der an die Keilverzahnung angrenzt, und daß die Innenfläche (132) gekrümmt ist und einen Radius (136) aufweist, dessen Größe zwischen 20% und 50% des Abstandes (134) zwischen den Innenflächen (130) der Ansätze (116) beträgt.
2. 2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (138) jedes der Arme (126) wenigstens so groß wie die Breite (139) der Ansätze (116) ist.
3. 3. Kreuzgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (124) eine Außenfläche (131) aufweist, in welcher wenigstens eine Ausgleichsbohrung (140) ausgebildet ist.
4. 4. Kreuzgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsbohrung (140) in einem der Arme (126) ausgebildet ist.
5. 5. Kreuzgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (110) einen zylindrischen Übergangsbereich (148) zwischen den Schultern (128) und dem Schaft (112) aufweist, dessen

   Durchmesser größer ist als derjenige des Schaftes (112), und daß zwischen dem übergangsbereich (148) und dem Schaft (112) ein kegel förmiger Abschnitt (150) ausgebildet ist, der zur Achse (118) des Schaftes (112) einen Winkel (152) von weniger als 45° bildet.
6. 6. Kreuzgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (110) aus Gußeisen besteht.