DE3606074A1

DE3606074A1 - Drehgelenk

Info

Publication number: DE3606074A1
Application number: DE19863606074
Authority: DE
Inventors: Werner 5200 Siegburg Krude
Original assignee: GKN Automotive Components Inc
Current assignee: GKN Driveline North America Inc
Priority date: 1985-02-22
Filing date: 1986-02-21
Publication date: 1986-08-28
Also published as: JPH0676810B2; DE3606074C2; US4685897A; CA1274097A; GB2171491B; GB2171491A; JPS61192928A; GB8603736D0; FR2578015A1; FR2578015B1

Description

GKN AUTOMOTIVE COMPONENTS INC. 18. Februar 1986 Southfield, Michigan 48075 ESP/Ne/Na

USA XOlUB.000

Drehgelenk

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Drehgelenk zur Herstellung einer drehmomentiibertragenden Verbindung zwischen treibenden und angetriebenen Teilen, die im Betrieb einer Beugung relativ zueinader, d.h. einer Winkelveränderung zwischen ihren Drehachsen, unterliegen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Drehgelenk, das sich zur Verwendung bei neigungsverstellbaren Lenksystemen für Kraftfahrzeuge eignet.

Bei den bisher bekannten Drehgelenken wird das Drehmoment zwischen dem treibenden und angetriebenen Teil durch eine Vielzahl von Kugeln übertragen, die jeweils teilweise in Ausnehmungen im Gelenkinnenteil und jeweils teilweise in im Gelenkaußenteil gradlinig verlaufende Ausnehmungen eingreifen. Solche Drehgelenke werden z.B. in den US-Patenten 44 25 101 und 29 10 845 dargestellt, während in dem US-Patent 41 56 354 ein Gelenk offenbart wird, bei dem teilweise kugelige drehmomentübertragende Körper zur Verwendung kommen. Bei diesen Drehgelenken liegen die Kugelmitten in einer Ebene, die senkrecht zu der Drehachse des Gelenkinnenteils verläuft; und wenn diese Gelenke gebeugt werden, verläuft diese Ebene nicht senkrecht zu der Drehachse des Gelenkaußenteils. Bei Beugung des Gelenks rollen die Kugeln entlang den Ausnehmungen des Gelenkaußenteils·, aber weil die Ausnehmungen in dem Gelenkaußenteil gradlinig und parallel zu dessen Achse verlaufen, werden die Anteile, um die sich die Kugeln in die Ausnehmungen hinein erstrecken, reduziert.

An einem Punkt der Gelenkbeugung - in einer typischen Ausführungsform bei ca. 8° von der fluchtenden Stellung der Gelenkteile aus gesehen - wird der Eingriff der Kugeln in die Ausnehmungen des Gelenkaußenteils bis zu einem Ausmaß reduziert, wo die Kugeln gegenüber den Gelenkteilen Spiel haben, so daß die einwandfreien Betriebseigenschaften des Gelenks beeinträchtigt werden.

Bei bestimmten Anwendungsfällen muß das Drehgelenk bei sehr viel größeren Beugungswinkeln als 8° einwandfrei laufen. Zum Beispiel treten bei neigungsverstellbaren Lenksystemen für Kraftfahrzeuge Beugungswinkel von ca. 35° auf, und wenn ein Drehgelenk in einem solchen Lenksystem Verwendung finden soll, müssen seine einwandfreien Betriebseigenschaften bei solchen Beugungswinkeln aufrechterhalten werden. Außerdem sind in solchen Anwendungsfällen die von dem Gelenk zu übertragenden Drehmomente relativ niedrig, so daß es wichtig ist, daß das Drehgelenk klein und relativ kostengünstig herstellbar ist.

Um dieses Problem zu lösen, sind bereits Vorschläge gemacht worden: Das US-Patent 34 24 473 offenbart ein neigungsverstellbares Lenksystem, bei dem ein Drehgelenk zur Anwendung kommt, bei welchem die die Kugeln aufnehmenden Ausnehmungen in dem Gelenkaußenteil in Form von Kreisbögen mit unveränderlichem Radius zu verlaufen scheinen. Die britische Patentanmeldung 21 15 523 schlägt ein Drehgelenk mit gekrümmten Ausnehmungen in dem Gelenkaußenteil und das US-Patent 40 70 872 derartige Ausnehmungen in einem Drehgelenk mit vier Kugeln vor. Wegen der kleinen Öffnungen an dem Ende des Gelenkaußenteils müssen die darin angeordneten Ausnehmungen mechanisch bearbeitet werden, was die Kosten im Vergleich zu Gelenkaußenteilen, bei denen die Ausnehmungen durch ein Umformungsverfahren wie z.B. Kaltverformen, her-

gestellt werden, bei dem keine mechanische Bearbeitung erforderlich ist, erhöht.

Weiterhin stellt die kreisförmige Konfiguration der kugelaufnehmenden Ausnehmungen in den Gelenkaußenteilen keine optimale, nicht einmal eine annähernd optimale Lösung dar. Als Folge des Drehmoments oder aus anderen Gründen hat bei Beugung des Gelenks eine der Kugeln die Tendenz, mit einer der Ausnehmungen in dem Gelenkaußenteil in Berührung zu bleiben, wodurch die Tendenz der anderen Kugel oder Kugeln, sich aus ihren Ausnehmungen in dem Gelenkaußenteil herauszubewegen, noch verstärkt wird.

J^ Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drehgelenk zu schaffen, das mit wenig oder gar keinem Spiel bei Beugung einwandfrei laufen und sich leicht beugen lassen soll bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung und geringem Platzbedarf, und bei dem die Nachteile bekannter Gelenke möglichst überwunden oder zumindest reduziert werden.

Erfindungsgemäß wird ein Drehgelenk zur Drehmomentübertragung geschaffen, bestehend aus einem Gelenkaußenteil mit einer Mehrzahl von darin sich axial erstreckenden Ausnehmungen, einem Gelenkinnenteil mit entsprechend umfangsverteilten Ausnehmungen, wobei Gelenkaußen- und -innenteil relativ zueinander gebeugt werden können und mit drehmomentübertragenden Mitteln, die sich in die Ausnehmungen in dem Gelenkinnenteil und die Ausnehmungen in dem Gelenkaussenteil erstrecken, wobei eine jede Ausnehmung in dem Gelenkaußenteil in einer die Ausnehmung und die Mittelachse des Gelenkaußenteils aufweisenden Längsschnittebene über wenigstens den größten Teil ihrer Ausdehnung gekrümmt verläuft, wobei ein spielfreier Eingriff der drehmomentübertragenden Mittel in die Ausnehmungen über einen Beugungs-

bereich erreicht wird, der wesentlich größer ist als acht Grad, von der fluchtenden Stellung aus gesehen.

In dem erfindungsgemäßen Gelenk gewährleistet die gekrümmte Form der Ausnehmungen in dem Gelenkaußenteil einen im wesentlichen vollständigen oder relativ gleichbleibenden Eingriff der drehmomentübertragenden Mittel in den Ausnehmungen während der Gelenkbeugung. Hierzu weisen die Ausnehmungen einen nicht gleichbleibenden Krümmungsradius entlang ihrer Länge auf, um eine zufriedenstellende Betriebsweise bei Beugungswinkeln bis zumindest ca. 35° zu gewährleisten. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen von dem offenen Ende des Gelenkaußenteils aus gesehen hinterschnittsfrei, damit das Teil durch ein Verfahren hergestellt werden kann, bei dem kein Material spanend entfernt werden muß, wie z. B. Kaltverformen.

Die drehmomentübertragenden Mittel können aus einer Mehrzahl von Kugeln bestehen, wobei jede Kugel mit einer anderen Kugel in Berührung ist und deren Mittelpunkte in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der Mittelachse des Gelenkinnenteils verläuft. Vorzugsweise sind zwei Kugeln vorgesehen, die in dem Gelenkinnenteil diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Damit das Gelenk zusätzlich zu dem Drehmoment Schubkräfte übertragen kann, sind Gelenkaußenteil und -innenteil vorzugsweise mit ineinandergreifenden, um die Gelenkbeugung zu ermöglichen, teilweise kugeligen Flächen versehen.

/3 Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Drehgelenks, dessen Gelenkteile axial fluchten,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Drehgelenks nach Fig. 1, nach Beugung der Gelenkteile, um das von der Erfindung gelöste Problem zu erläutern,

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Drehgelenks nach der Erfindung,

Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3,

Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 3,

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt entsprechend der Fig. 5 einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte schematische Darstellung zeigt ein Drehgelenk mit dem Bezugszeichen U. Das Drehgelenk U weist ein Gelenkinnenteil I und ein Gelenkaußenteil 0 auf. Kraft oder Drehmoment wird zwischen dem Gelenkinnenteil I und dem Gelenkaußenteil Ο,ζ.Β. von dem Gelenkinnenteil I auf das Gelenkaußenteil 0, über zwei Kugeln B übertragen. Die Kugeln B greifen teilweise in die Ausnehmungen IR in dem Gelenkinnenteil I und teilweise in die gradlinigen Ausnehmungen OR in dem Gelenkaußenteil 0 ein und rollen frei in diesen Ausnehmungen IR und OR ab. Die Ebene durch die Mittelpunkte der Kugeln B, die im rechten Winkel zu der Zeichnungsebene des zweikugeligen Drehgelenks liegt, steht senkrecht auf der Mittelebene des Gelenkinnenteils I, und auf

der Mittelachse des Gelenkaußenteils O, wenn Gelenkinnenteil I und Gelenkaußenteil O fluchten, so wie es in Fig. 1 gezeigt wird. Wenn das Gelenkinnenteil I jedoch gegenüber dem Gelenkaußenteil 0 gebeugt ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird, dreht sich die oben erwähnte Ebene durch die Mittelpunkte der Kugeln gegenüber der Mittelachse des Gelenkaußenteils 0, und das hat zur Folge, daß sich die Eindringtiefe einer in einer der gradlinigen Ausnehmungen OR der Kugeln um einen in der Fig. 2 mit S bezeichneten endlichen Betrag verringert, wie dies in Bezug auf die obere Kugel in Fig. 2 gezeigt wird. Im schlimmsten Fall findet der gesamte Öffnungsvorgang zwischen einer der Kugeln B und einer der gradlinigen Ausnehmungen OR statt, denn das Gelenkinnenteil I kann sich gegenüber dem Gelenkaußenteil 0 unter dem Einfluß eines Drehmoments oder anderer Beanspruchungen, denen es ausgesetzt ist, frei auf- und ab bewegen. Durch ein solches öffnen des Gelenks während des Beugungsvorgangs können sich die normalerweise berührenden Elemente des Drehgelenks U voreinander trennen und die spielfreie Drehmomentübertragung zwischen dem Gelenkinnenteil I und dem Gelenkaußenteil 0 beeinträchtigen, wodurch Gelenke mit zylindrischen, gradlinigen Außenausnehmungen OR, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt werden, auf eine schwache Beugung von ca. 8° in jede Richtung beschränkt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, so wie sie in den Figuren 3 bis 5 gezeigt wird, wird ein Drehgelenk 11 vorgesehen, das ein Gelenkinnenteil 12 und ein Gelenkaußenteil 13 aufweist. Das Drehgelenk 11 ist mit einer Mehrzahl von Kugeln, vorzugsweise zwei Kugeln 14, versehen, so wie es gezeigt wird. Wenn gewünscht, kann eine größere Anzahl von Kugeln verwendet werden, aber bei der übertragung von niedrigen Drehmomenten, wie z.B. bei Gelenken für

1 O

neigungsverstellbare Lenksysteme für Kraftfahrzeuge, zieht man, um die Gelenkkosten zu reduzieren, zwei Kugeln 14 vor. Die Mittelpunkte der Kugeln 14 liegen in einer Ebene, die senkrecht auf der mittleren Drehachse des Gelenkinnenteils 12 und damit in einem rechten Winkel zu der Zeichnungsebene steht. Die Kugeln 14 werden teilweise in einer Ausnehmung

16 aufgenommen, die sich durch das Gelenkinnenteil 12 erstreckt» und jede Kugel ist teilweise in einer Ausnehmung

17 gehalten, die sich in dem Gelenkaußenteil 13 längserstreckt.

Jede Kugel 14 kann in der Ausnehmung 16 und in ihrer Ausnehmung 17 frei abrollen oder sich darin frei drehen-, und diese Drehung findet als Folge der Beugung des Gelenkinnenteils 12 gegenüber dem Gelenkaußenteil 13 in Richtung des Pfeiles A statt, so wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Das Drehgelenk 11 kann sich auch senkrecht zu der in Fig. 3 gezeigten Beugungsrichtung beugen, wie es durch die Richtung des Pfeils AA in Fig. 4 angedeutet ist. Diese Beugung wird dadurch ermöglicht, daß das Gelenkinnenteil 12 und das Gelenkaußenteil 13 mit passenden, teilweise kugeligen Komplementärflächenabschnitten 12a und 13a versehen werden, so wie sie ganz deutlich in den Figuren 4 und 5 zu sehen sind. Dieser Flächenkontakt zwischen den Flächenabschnitten 12a und 13a ermöglicht es dem Drehgelenk auch dann zufriedenstellend zu laufen, wenn es Druckbeanspruchungen zwischen dem Gelenkinnenteil 12 und dem Gelenkaußenteil 13 ausgesetzt ist.

Wie ganz deutlich aus der Fig. 3 zu sehen ist, weist jede Ausnehmung 17 in der Axialebene, die sich durch diese Ausnehmung erstreckt, eine gekrümmte Konfiguration auf, die deren radiale Tiefe und die Entfernung von der Mittelachse des Gelenkaußenteils 13 von dem offenen Ende des Gelenk-

außenteils nach hinten in dem Gelenkaußenteil verringert. Zweck dieser Konfiguration ist es, ein im wesentlichen vollständiges Eindringen der Kugel 14 in die Ausnehmung zu ermöglichen, wenn Gelenkinnenteil 12 und Gelenkaußenteil 13 sich relativ zueinander in Richtung des Pfeiles A beugen. Hierdurch wird die Berührung zwischen den einzelnen Kugeln 14 und zwischen jeder Kugel 14 und ihrer entsprechenden Ausnehmung 17 aufrechterhalten und der Beugungsbereich, innerhalb dessen das Drehgelenk 11 seine einwandfreien oder fast spielfreien Betriebseigenschaften bewahrt, vergrößert. Vorzugsweise hat die Ausnehmung 17 die Konfiguration einer Kurve, deren örtliche Radien von einem Maximalwert aus an dem offenen Ende des Gelenkaußenteils, wo die Kugeln 14 bei fluchtenden Gelenkteilen 12 und 13 in die Ausnehmung eingreifen, allmählich abnehmen bis zu einem Radius, der ca. das 0,64fache des maxiamalen Radius' bei einem Beugungswinkel von 35° beträgt. Hierdurch bleiben die Kugeln 14 in allen Stellungen innerhalb des Beugungsbereichs unter Druck, und das Drehgelenk zeichnet sich durch ein minimales radiales Spiel und einwandfreie Betriebseigenschaften aus. Bei dieser Konfiguration der Ausnehmungen 17 kann außerdem das Gelenkaußenteil relativ kostengünstig, im Falle eines Gelenkaußenteils 13 aus Metall zum Beispiel, durch Kaltverformen hergestellt werden (da das Gelenkaußenteil von dessen offenem Ende aus gesehen hinterschnittsfrei ist), und weiterhin vergrößert eine derartige Konfiguration den Beugungsbereich des Drehgelenks 11 erheblich, ohne daß die spielfreien Betriebseigenschaften beeinträchtigt würden.

Während für die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Ausnehmungen 17 des Gelenkaußenteils 13 und der Ausnehmung 16 des Gelenkinnenteils 12 zwei Kugeln 14 bevorzugt werden,

versteht es sich, daß auch andere Mittel für diesen Zweck verwendet werden können. Zum Beispiel könnte, wie in Fig. 6 gezeigt wird, auch ein einziger Zapfen 114 mit teilweise kugeligen Enden verwendet werden. Wie in der britischen Patentanmeldung 21 15 523 gezeigt wird, könnten auch mehr als zwei Kugeln vorgesehen werden.

Beim Zusammenbau des Drehgelenks 11 werden die Teile, nachdem das Gelenkinnenteil 12 und die Kugeln 14 in das Gelenkaußenteil 13 eingeführt sind, durch einen Sicherungsring 18, der in eine Umfangsausnehmung 19 in der Außenfläche des Gelenkaußenteils 13 einschnappt, in ihrer Stellung gehalten. Das Gelenkinnenteil 12, das in einen Wellenzapfen übergeht, ist mit einer Queröffnung 21 zur Aufnahme eines Bolzens oder einer Schraube versehen, mit dem / oder der es mit einem (nicht dargestellten) Hülsenteil in dem Antriebsstrang, in dem das Drehgelenk 11 zur Verwendung kommt, verbunden werden kann. Das Gelenkaußenteil 13, das in eine Hohlwelle übergeht, ist ebenso mit einer Queröffnung 22 versehen, durch die das Gelenkaußenteil 13 mit einem nicht dargestellten Zapfenteil in dem Antriebsstrang verbunden werden kann. Bei einem Drehgelenk, das im Zusammenhang mit einem neigungsverstellbaren Lenksystem zur Anwendung kommt, ist das Gelenkinnenteil 12 vorzugsweise mit dem Antriebs- oder Lenkradende des Lenksystems und das Gelenkaußenteil 13 mit dem angetriebenen Ende oder dem Lenkmechanismusende des Lenksystems verbunden.

Die verschiedenen Elemente des Drehgelenks 11, d.h. das Gelenkinnenteil 12, das Gelenkaußenteil 13 und die Kugeln 14,können aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metallwerkstoff hergestellt werden. Die Diehmomentbeanspruchungen eines in einem neigungsverstellbaren Lenksystem zur Ver-

wendung kommenden Drehgelenks sind jedoch relativ gering, und es wäre wirtschaftlicher, eines oder mehrere dieser Elemente aus einem nichtmetallischen Werkstoff, z. B. einem aushärtbaren Polymer oder einem geeigneten Nylon, zu formen. Diese Werkstoffe haben alle einen niedrigeren Elastizitätsmodul aus Stahl, und es ist daher einfacher, die Kugeln des Drehgelenks unter Druck zu halten, wenn diese und/oder das Gelenkinnenteil und/oder das Gelenkaußenteil aus einem Nichtmetal 1, wie z.B. einem Polymer, geformt sind.

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Claims

GKN AUTOMOTIVE COMPONENTS INC. 18. Februar 1986 Southfield, Michigan 48075 ESP/Ne/Na USA X0146.000 l£ü£074 Drehgelenk Patentansprüche

1. Drehgelenk zur Drehmomentübertragung, bestehend aus einem Gelenkaußenteil (13) mit einer Mehrzahl von darin sich axial erstreckenden Ausnehmungen (17), einem Gelenkinnenteil (12) mit Ausnehmungen (16), wobei Gelenkaußen- und Gelenkinnenteil relativ zueinander gebeugt werden können, und drehmomentübertragenden Mitteln (14, 114), die mit den Ausnehmungen (16) im Gelenkinnenteil (12) und den Ausnehmungen (17) im Gelenkaußenteil (13) im Eingriff s ind,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausnehmungen (17) in dem Gelenkaußenteil im Längsschnitt durch die Mittelachse des Gelenkaußenteils über wenigstens den größten Teil ihrer Ausdehnung gekrümmt verlaufen, wobei ein spielfreier Eingriff der drehmomentübertragenden Mittel in die Ausnehmungen (16, 17) über einen Beugungsbereich erreicht wird, der von der fluchtenden Stellung aus gesehen wesentlich größer als acht Grad ist.

2. Drehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gelenkaußenteil zwei sich gegenüberliegende Ausnehmungen (17) aufweist und die drehmomentübertragenden Mittel aus einem Zapfen (114) bestehen, der sich quer zu dem Gelenkinnenteil erstreckt und teilweise kugelige, in die Ausnehmungen eingreifende Enden aufweist.

3. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die drehmomentübertragenden Mittel aus einer Mehrzahl von Kugeln (14) bestehen, wobei jede Kugel mit zumindest einer anderen Kugel in Berührung steht und deren Mittelpunkte in einer Ebene liegen, die senkrecht auf der Mittelachse des Gelenkinnenteils steht.

4. Gelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gelenkaußenteil zwei sich gegenüberliegende Ausnehmungen aufweist, und daß zwei Kugeln vorgesehen sind, die in dem Gelenkinnenteil diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

5. Drehgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Ausnehmungen im Gelenkaußenteil im Längsschnitt in einer Kurve verläuft, deren örtliche Krümmungsradien von einem Maximalwert aus, wo die drehmomentübertragenden Mittel bei fluchtenden Gelenkteilen

in die Ausnehmung eingreifen, bis zu einem Minimalwert abnehmen, wo der Eingriff bei voller Beugung der Gelenkteile stattfindet.

6. Drehgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Minimalwert des örtlichen Krümmungsradius' der Ausnehmungen im Gelenkaußenteil etwa den 0,64fachen des Miximalwertes entspricht, wobei ein spielfreier Eingriff über einen Beugungsbereich von zumindest etwa 35° möglich ist.

7. Drehgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß Gelenkaußen- und -innenteil ineinander eingreifen, teilweise kugelige Komplementärflächen (12a, 13a) aufweisen, die zusätzlich zu der genannten Drehmomentübertragung die übertragung von weiteren Kräften gestattet.

8. Drehgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gelenkaußenteil aus Metall besteht und durch Kaltverformung hergestellt wird.