DE3343826C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkkupplung mit als Hülse ausgebildetem Wellenende und in die Hülse eingeführtem Gegen-Wellenende, wobei in beiden Wellenenden Führungen für jeweils mindestens eine, das Dreh­ moment zwischen den Wellenenden übertragende, frei bewegliche Kugel angeordnet sind und wobei an der Innenseite der Hülse die Führung parallel zur Hülsenachse und am Gegen-Wellenende die Führung radial zur Achse des Gegen-Wellenendes verläuft.

Bekannt ist aus einer wissenschaftlichen Abhandlung (R. Kraus: Grund­ lagen des systematischen Getriebeaufbaus) nach einer Ausführungsform in Bild 36 nach der Fig. 4 von oben, in der ersten Spalte nicht eine Kugel, sondern einen festen Ansatz in Form einer sphärischen Rundung, der auf einen Schaft aufgesetzt ist, der seinerseits rechtwinklig von der An- oder Abtriebswelle absteht. Der Schaft gleitet in einem oder beiden Armen des Wellenendes in radialer Richtung. Der weitgehend all­ seits gerundete Ansatz am Ende des Schaftes kann in einer Führung, die weitgehend zylindrisch ausgebildet ist, den Ansatz umschließt und fest mit dem anderen Wellenende verbunden ist, axial gleiten.

Der Aufbau nach dieser bekannten Anordnung weist eine freie Kugel nicht auf und besteht aus einer großen Anzahl von Teilen, deren Herstellung verhältnismäßig kompliziert und daher aufwendig ist. Wenn der weitgehend allseits gerundete Ansatz an den Schaft nach dieser Vorveröffentlichung als Kugel aufgefaßt werden sollte, ist dabei zu beachten, daß er fest mit dem Schaft verbunden ist. Gegenüber dem Schaft kann eine Bewegung nicht stattfinden, der Schaft ist mit rechteckigem Querschnitt ver­ sehen und damit in den Armen des Wellenendes verschieblich, jedoch nicht drehbar geführt. Der Ansatz kann daher in seiner zylindrischen Führung nur reibend gleiten, verursacht daher hohen Verschleiß und erhebliche Verringerung des Wirkungsgrades des Gesamtgetriebes.

Nach einer weiteren Vorveröffentlichung (Zeitschrift "Konstruktion" 27 (1973), S. 335-341) sind dort dargestellte und beschriebene Tri­ pode-Gelenkgetriebe (Modell 2 und 4), die mehr systematische Dar­ stellungen wiedergeben, mit Kugeln 3′, 3.2′, 3.3′ dargestellt, die in entsprechenden achsparallelen Bahnen geführt sind - diese Kugeln sind jedoch mit Durchmesser-Bohrungen versehen zur drehenden und gleitenden Lagerung auf den Enden der Achsen 2 des Tripode-Elementes. Aus der vorstehenden Fig. 3 ist leicht zu entnehmen, wie außerordent­ lich kompliziert und aufwendig ein solches Gelenkgetriebe in der Praxis ist. Dabei darf nicht übersehen werden, daß aus den in Fig. 2 und 4 systematisch dargestellten Kugeln in der Praxis Rollen mit allenfalls balliger Außenlauffläche geworden sind. Diese Rollen werden geführt von den Achsen, sie können sich ausschließlich nur um diese Achsen 2 drehen, die Achsen 2 haben jedoch während eines umlaufenden Getriebes die verschiedensten Winkelstellungen gegenüber den Führungen in der zylindrischen Endhülse des Antriebselementes 1 und damit werden die Rollen 3 ebenfalls in Winkelstellung gegenüber ihren Führungen ge­ zwungen, bei entsprechender Beanspruchung ihrer Drehlager auf den Achsen 2, die ja gleichzeitig auch Gleitlager sind. Sowohl zwischen den Rollen und ihren Führungen entsteht trotz der balligen Außenfläche der Rollen, als auch zwischen den Rollen und ihren Dreh-Gleitachsen durch die Winkelstellung während einer Umdrehung Reibung, dadurch Leistungsverlust und damit Verringerung des gesamten Wirkungsgrades des Getriebes.

Weiterhin zeigt eine druckschriftliche Vorveröffentlichung (DE-OS 22 25 499) ein gattungsgemäßes Drehgelenk, das aus einer äußeren Hülse 1 an der Antriebsachse, einer inneren Hülse 6 an der Abtriebsachse und einer zentralen Welle 3 besteht, die mit der Antriebs- oder Abtriebs­ achse einstückig ist. Die innere Hülse kann auch als frei bewegliche Hülse ausgebildet sein (Fig. 8). Zwischen diesen jeweils drei Teilen sind als Kupplung Kugeln eingesetzt. In der äußeren Hülse 1 ist eine axial verlaufende Rinne 4 ausgebildet, die wesentlich weniger als den halben Umfang der Kugel umgreift. Sie ist daher nicht in der Lage, die Kugel 5 daran zu hindern, sich der geometrischen Achse des Wellen­ endes 1 zu nähern. Davon ausgehend, daß die beiden Wellenenden während ihrer Drehung gegeneinander unterschiedliche Winkelstellungen ein­ nehmen, ist nicht zu erwarten, daß das andere Wellenende 6 zur Er­ füllung seiner Aufgabe die Kugel in der axial parallel verlaufenden Rinne hält oder dorthin zurückführt - aus diesem Grunde ist es nach dieser Vorveröffentlichung unbedingt erforderlich, daß eine Hilfsachse 3 vorgesehen werden muß, die im Zentrum der Hülse des Wellenendes 1 und fest mit dieser verbunden angeordnet ist. Die Kugel wird somit zwischen der flachen Rinne 4 und der zentralen Hilfsachse 3 gehalten. Durch die Notwendigkeit, eine solche Hilfsachse 3 einzusetzen, wird der Gesamtaufbau zusätzlich kompliziert und verteuert. Auch ist ein freies Abrollen der Kugel behindert, wie schon in den Fig. 10 bis 12 zu entnehmen ist. Dort ist die Anlage der Kugel an den einzelnen Führungselementen dargestellt. Aus der Richtung der einzelnen Pfeile, insbesondere zur äußersten Hülse und zur Hilfsachse ist erkennbar, daß die Kugel bei axialer Bewegung während einer Winkelverstellung bei Rotation sich nicht frei abwälzen kann.

Gegenüber diesem bekannten Stand der Technik hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt ein einfach aufgebautes Gelenk mit geringer innerer Reibung zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Gelenkkupplung da­ durch gekennzeichnet, daß die achsparallele Führung an der Innenseite der Hülse als teilzylindrische Bohrung ausgebildet ist, die etwa gleichen Durchmesser wie die Kugel aufweist und, die Kugel über mehr als die Hälfte ihres Umfanges umgreifend, zur Drehachse der Hülse hin schlitzförmig geöffnet ist und die radiale Führung am Gegen-Wellenende aus zwei einander axial gegenüberliegenden zylindrischen Rinnen mit etwa gleichem Durchmesser wie die Kugel besteht, wobei das in die Hülse hineinragende Ende der Welle abgeflacht ist und radial in die Öffnung der achsparallelen Bohrung eingreift.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung geht die schlitz­ förmige Öffnung der achsparallelen Bohrung in eine, in Richtung der Drehachse der Welle verlaufende Nut etwa gleichen Querschnitts über. Die schlitzförmige Öffnung der achsparallelen Bohrung kann dabei diese mit einer zentralen koaxialen Bohrung der Hülse verbinden.

Es können auch vorteilhaft zwei Gegen-Wellenenden zu einer Verbindungs­ welle zwischen zwei Hülsen zusammengefaßt sein. Dabei sind dann die Stirn­ flächen der Verbindungswelle an ihren Außenkanten abgeschrägt. Auch kann ein elastisches Widerlager am Boden mindestens einer der Hülsen angeordnet sein, gegen das die Zwischenwelle anliegt, zur Begrenzung ihrer axialen Bewegung.

Vorteilhaft ist in den Stirnseiten der Zwischenwelle zentrisch jeweils eine Kugel gelagert, die auf einer Stirnfläche des elastischen Wider­ lagers aufliegt.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist jedes der in Mehrzahl vorhandenen freien, abgeflachten Enden des Gegen-Wellenendes, das rippenförmig ausgebildet ist und in eine schlitzförmige Öffnung einer achsparallelen Bohrung in der Hülse eingreift, mit einer Koppel an ein Gleitstück angelenkt, wobei die Gleitstücke achsparallel jeweils in einer inneren Führung gleiten, die eine Fortsetzung einer, eine Kugel aufnehmenden Bohrung in der Hülse bilden, wobei der Winkel zwischen den beiden Wellenenden durch axiales Verschieben der Gleitstücke einstellbar ist.

Gegenüber einigen vorbekannten Gelenkkupplungen benutzt die Erfindung eine freie Kugel, die je nach Lage, Winkelstellung der Teile und Bean­ spruchung frei abrollen kann und sich aufgrund ihrer freien Beweglichkeit jeweils so einstellt, daß sie die Kräfte optimal überträgt. Dabei sind die Führungen für die Kugel bzw. die Kugeln nach außen hin abgedeckt. Die Kugelführungen in den äußeren Hülsen sind nach der Erfindung auch derart ausgebildet, daß sie die Kugeln über ihren Durchmesser hinaus umgreifen, die Kugeln werden daher allein in diesen Führungen sicher gehalten und geführt, sie können nicht nach innen fallen, ein besonderes Gegenhalte-Element (Hilfsachse) ist überflüssig mit entsprechender Vereinfachung und Ver­ billigung der Gesamtkonstruktion.

Darüber hinaus ist es nach der Erfindung nicht erforderlich, die innere Hülse mit radialen Führungen für die Kugeln derart auszubilden, daß darin noch genügend Bewegungs- und Spielraum für die Hilfsachse ist. Eine erhebliche kompaktere Bauart des Getriebes ist gegenüber bekannten Gelenkkupplungen ermöglicht. Insgesamt ist auch eine Gelenkkupplung nach der Erfindung aus wesentlich weniger Teilen zusammengesetzt, als irgend­ eine vorbekannte Gelenkkupplung. Es sind lediglich zwei Hülsen und ein Übertragungsteil, also insgesamt drei Teile erforderlich, wodurch ein er­ heblicher Vorteil hinsichtlich der Herstellung und auch eine Vereinfachung der Lagerhaltung und Montage erreicht ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Axialschnittes einer einfachen Gelenkkupplung gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 2 eine Endansicht eines in eine Hülse auslaufenden Wellenendes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines in die Hülse einzu­ führenden Gegenwellenendes,

Fig. 4 schematische Ansicht eines Axialschnittes einer Doppelgelenkkupplung nach der Erfindung,

Fig. 5 schematische Ansicht eines Schnittes entlang der Linie V-V von Fig. 4,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Verbindungswelle entsprech­ end Fig. 4,

Fig. 7 ein schematisierter Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 6,

Fig. 8 eine Endansicht entsprechend dem Pfeil VIII in Fig. 6,

Fig. 9 ein Diagramm, das schematisch in der Ebene der Linie IX-IX von Fig. 4 die Verschiebungen des Mittelpunktes der Kugeln bei dieser Gelenkkupplung zeigt,

Fig. 10 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Gelenkkupplung mit variabler Winkelstellung.

Eine einfache Gelenkkupplung gemäß der Erfindung nach den Fig. 1 bis 3 stellt bei der Drehung die Verbindung zwischen den beiden Wellen­ enden 1 und 2 sicher, die winklig zueinander angeordnet sind.

Das äußere Ende einer Welle ist mit einer Hülse 1 versehen, deren Aus­ nehmung 3 als teilzylindrische achsparallele Bohrung 4 mit zur Wellen­ achse hin fortgesetzter Nut 40 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 3 und damit die Bohrung 4 sowie die Nut 40 verlaufen parallel zur Achse X-X des Wellenendes 1. Die Mittellinie der Bohrung 4 sowie die Mittellinie der Nut 40 liegen in einer Ebene, in der auch die Achse X-X des Wellen­ endes 1 liegt.

Die Gegenwelle 2 weist an ihrem Ende ein in die Hülse 1 am Ende der Wel­ le hineinragendes Ende 5 auf. Dieses hineinragende Ende 5 hat einen rechteckigen Querschnitt, dessen Breite kleiner ist als die Breite der Nut 40, so daß sich dieses Ende in der Nut 40 frei bewegen kann. Auf der Außenseite des hineinragenden Endes 5 der Welle 2 ist eine zylindrische Ausnehmung 6 eingesenkt, die den gleichen Durchmesser hat wie die achs­ parallele Bohrung 4 in der Wellenhülse 1 und deren Mittelachse recht­ winklig bzw. radial zur Achse Y-Y der Gegenwelle 2 verläuft. Da diese Abmessungen der zylindrischen Ausnehmung 6 größer sind als die Breite des Endes 5 der Gegenwelle 2 sind auf der Gegenwelle 2 einander gegen­ überliegende zylindrische Rinnen 8 und 9 ausgebildet.

Eine Kugel 7 mit einem dem Spiel in der Bohrung 4 und der Ausnehmung 6 ent­ sprechenden Durchmesser ist in die Ausnehmung 6 eingesetzt und befindet sich nach Einschieben der Gegenwelle 2 dann auch in der Bohrung 4 der Wellenhülse 1. Damit ist die mechanische formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Wellenenden 1 und 2 sichergestellt.

In der Fig. 1 sind zwei einander gegenüberliegende Stellungen der beiden Wellenenden einmal ausgezogen und einmal gestrichelt einge­ zeichnet. Diese beiden Stellungen entsprechen einer halben Umdrehung. Eine derartige einfache Gelenkkupplung erlaubt nicht die Übertragung großer Leistungen, kann aber für Anzeigezwecke dienen oder auch zur Übertragung von Drehbewegungen ohne wesentliche Kräfte, insbesondere bei Spielzeugen. Die Herstellung einer solchen Gelenkkupplung ist besonders einfach, sie kann durch Gießen ohne irgendwelche Schwierig­ keiten erfolgen.

Eine Gelenkkupplung nach den Fig. 1 bis 3 erlaubt Winkelabweichungen zwischen den Achsen X-X und Y-Y der Wellenenden 1 und 2 von wenigstens der gleichen Größenordnung wie bei bekannten anderen Gelenkkupplungen, ebenso wie ein relatives Gleiten einer der Wellenenden in bezug auf die andere.

Die in den Fig. 4 bis 8 dargestellte Gelenkkupplung besteht im wesent­ lichen aus zwei einfachen Kugelgelenken mit einer Verbindungswelle (Zwischenwelle) 50, die die Verbindung der beiden hülsenförmigen Wellenenden 20, 21 her­ stellt, zwischen denen die Drehübertragung erfolgen soll.

Die beiden Wellenhülsen 20 und 21 sind mit drei achsparallelen Bohrung­ en 10, 11 und 12 versehen, die radial in Sternform um eine zentrale koaxiale Bohrung 19 herum verteilt sind, wobei die Anordnung im Axial­ schnitt das Aussehen eines Kleeblattes hat.

Die Verbindungswelle 50, deren gerader Teil im Querschnitt die Form eines Y mit symmetrischen Schenkeln 13, 14 und 15 aufweist, hat zwischen diesen Schenkeln Winkel von jeweils 190°.

Jeder Schenkel 13, 14 und 15 ist in der Nähe seiner Enden mit je einer zylindrischen Rinne 24, 25; 26, 27; 28 und 29 von gleichem Durchmesser wie die teilzylindrischen achsparallelen Bohrungen 10, 11 und 12 ver­ sehen. In diesen zylindrischen Rinnen sind sechs zugeordnete Kugeln 16, 17, 18, 30 und 31 . . . gelagert, die die Verbindung zwischen der Ver­ bindungswelle 50 und den beiden Wellenhülsen 20 und 21 unter Verschie­ bung in den Bohrungen 10, 11 und 12 jeder der Hülsen sicherstellen.

An jeder Stirnfläche der Verbindungswelle 50 ist zentral je ein Sitz 32 bzw. 33 vorgesehen zur Aufnahme von Kugeln 34 bzw. 35, die ihrerseits gegen Stirnflächen 36 bzw. 37 anliegen. Diese Stirnflächen, die auf Platten ausgebildet sein können, sind ihrerseits über ein elastisches Widerlager in Form einer Feder 22 oder in Form eines Gummiteiles 23 gegen die hülsenförmigen Wellenenden 20 und 21 abgestützt.

Aufgrund der vorbeschriebenen Lagerung ist jedes Spiel der Verbindungs­ welle 50 zwischen den beiden hülsenförmigen Wellenenden 20 und 21 ver­ hindert, insbesondere bei der Übertragung einer Drehung mit einer be­ stimmten Geschwindigkeit.

In vielen praktischen Ausführungen genügt ein einziges elastisches Widerlager, wobei das gegenüberliegende Widerlager durch eine Stütz­ fläche ausgebildet ist.

Ein die beiden hülsenförmigen Wellenenden 20 und 21 verbindender Falten­ balg 38 schützt die Gelenkkupplung vor Verschmutzungen.

Eine vorbeschriebene Gelenkkupplung erlaubt das Ankuppeln von Wellen, die Winkelabweichungen ebenso wie Parallelitätsmängel von erheblicher Größenordnung haben und zur Übertragung von relativ hohen Leistungen und Geschwindigkeiten geeignet sind. Die Übertragung der Leistungen und Geschwindigkeiten bleibt bei allen Neigungswinkel homokinetisch.

Die kinematische Untersuchung einer derartigen Gelenkkupplung zeigt den Gegensatz zu einem klassischen Kardangelenk, daß die Achse der Verbindungswelle 50 niemals mit der Winkelstellung der jeweiligen Achsen der beiden hülsenförmigen Wellenenden übereinstimmt die sie verbindet, es sei denn, daß sämtliche drei Achsen miteinander fluchten. Das Zentrum der Verbindungswelle beschreibt bei der Drehung eine Ellipse, wie in Fig. 9 dargestellt, wobei das Bezugszeichen 39 den Punkt angibt an dem die Achse der Verbindungswelle 50 die Ebene schneidet, in der die drei Kugeln 16, 17 und 18 liegen. Die Kurve 41 gibt schematisch die Spur der drei Kugeln 16, 17 und 18 an.

Um anzugeben in welcher Stellung der Mittelpunkt der drei Kugeln 16, 17 und 18 radial um ca. 10 mm von der Achse der Verbindungswelle 50 verschoben ist, sind die Abmessungen der Ellipse von der Größenordnung einiger Zehntel mm gemäß der Winkelstellung in achsparallelen Bohrungen 49, 51 und 52 einer entsprechenden gleichschenkligen, sternförmigen oder Y-förmigen Verbindungswelle zu dem der Wellenenden 20 und 21 des Bei­ spiels von Fig. 4 angeordnet, wobei dieser Sitz im zweiten Wellenende 48 vorgesehen ist. In der axialen Verlängerung jeder der drei Bohrungen 49, 41 und 52 sind innere Führungen 53 für Gleitstücke 54, 55 vorge­ sehen, die jeweils über eine Koppel 56, 57 in bezug auf einen der Schenkel 44, 45 der Verbindungswelle 43 angelenkt sind. Jedes Gleitstück 54, 55 kann den Kolben einer Schraubenwinde bilden, dessen Zylinder durch die zugehörige innere Führung gebildet wird.

Die gesteuerte Zufuhr einer Hydraulikflüssigkeit in jeden dieser Zylin­ der erlaubt die beliebige Orientierung des Wellenendes 42 zum Wellen­ ende 48.

Als Variante kann auch jedes Gleitstück durch jegliches klassische Mittel wie ein Schraubgewinde, ein Gestänge oder ähnliches betätigt werden.

Claims (8)

1. Gelenkkupplung mit als Hülse ausgebildetem Wellenende und in die Hülse eingeführtem Gegen-Wellenende, wobei in beiden Wellen­ enden Führungen für jeweils mindestens eine, das Drehmoment zwischen den Wellenenden übertragende frei bewegliche Kugel angeordnet sind und wobei an der Innenseite der Hülse die Führung parallel zur Hülsenachse und am Gegen-Wellenende die Führung radial zur Achse des Gegen-Wellenendes verläuft, da­ durch gekennzeichnet, daß die achsparallele Führung an der Innenseite der Hülse (1) als teilzylindrische Bohrung (4) aus­ gebildet ist, die etwa gleichen Durchmesser wie die Kugel auf­ weist und, die Kugel (7) über mehr als die Hälfte ihres Um­ fanges umgreifend, zur Drehachse der Hülse (1) hin schlitzförmig geöffnet ist und die radiale Führung am Gegen-Wellenende aus zwei einander axial gegenüberliegenden zylindrischen Rinnen (8 und 9) mit etwa gleichem Durchmesser wie die Kugel (7) be­ steht, wobei das in die Hülse (1) hineinragende Ende (5) der Welle (2) abgeflacht ist und radial in die Öffnung der achs­ parallelen Bohrung (4) eingreift.

2. Gelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmige Öffnung der achsparallelen Bohrung (4) in eine in Richtung der Drehachse der Welle verlaufende Nut (40) etwa gleichen Querschnitts übergeht.

3. Gelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmige Öffnung der achsparallelen Bohrung (4) diese mit einer zentralen koaxialen Bohrung (19) der Hülse (1) verbindet.

4. Gelenkkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gegen-Wellenenden zu einer Verbindungs­ welle (50) zwischen zwei Hülsen (20, 21) zusammengefaßt sind.

5. Gelenkkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Verbindungswelle (50) an ihren Außen­ kanten abgeschrägt sind.

6. Gelenkkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Widerlager (22 und/oder 23) am Boden mindestens einer Hülse (20 und/oder 21) angeordnet ist, gegen das die Zwischenwelle (50) anliegt, zur Begrenzung ihrer axialen Be­ wegung.

7. Gelenkkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stirnseiten der Zwischenwelle (50) zentrisch jeweils eine Kugel (34 und/oder 35) gelagert ist, die auf einer Stirn­ fläche (36, 37) des elastischen Widerlagers (22, 23) aufliegt.

8. Gelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der in Mehrzahl vorhandenen freien, abgeflachten Enden des Gegen-Wellenendes, das rippenförmig ausgebildet ist und in eine schlitzförmige Öffnung einer achsparallelen Bohrung (49, 52) in der Hülse (48) eingreift, mit einer Koppel (56, 57) an ein Gleitstück (54, 55) angelenkt ist, wobei die Gleitstücke (54, 55) achsparallel jeweils in einer inneren Führung (53) gleiten, die eine Fortsetzung einer eine Kugel aufnehmenden Bohrung (49, 51, 52) in der Hülse (48) bilden, wobei der Winkel zwischen den beiden Wellenenden (42, 48) durch axiales Verschie­ ben der Gleitstücke (54, 55) einstellbar ist.