DE3617491A1 - Gleichlaufverschiebegelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufverschiebegelenk mit Drehmomentübertragung durch in einem Käfig gehaltene umfangs­ verteilte Kugeln, die in sich in der Anzahl entsprechenden Längsrillen eines inneren und eines äußeren Gelenkkörpers geführt sind, wobei einander zugeordnete Rillen des inneren und des äußeren Gelenkkörpers paarweise in entgegengesetzem Sinn um gleiche Beträge zur Axialrichtung angestellt sind und der Käfig gegenüber beiden Gelenkkörpern axial verschiebbar ist. Die Rillen können hierbei geradlinig oder gekrümmt ver­ laufen. Derartige Gelenke sind in vielfältiger Gestaltung be­ kannt und werden in Antriebssträngen verwendet, bei denen aufgrund von Winkel- oder Abstandsänderungen ein axialer Spielausgleich erforderlich ist.

Gleichlaufverschiebegelenke der genannten Bauart stellen eine Konstruktion dar, deren Funktionsfähigkeit und Lebensdauer wesentlich von den verwendeten Passungen zwischen Laufkugeln und Längsrillen sowie Laufkugeln und Käfigfenstern bestimmt werden. Sofern große Spiele vorgesehen werden, was aus Ko­ stengründen vorteilhaft sein mag, zeigen sich im Leerlaufbe­ reich ohne Drehmomentübertragung Schwingungen des Antriebs­ wellenstranges, die zu störenden Geräuschen führen. Daneben führen große Spiele bei häufigem Lastwechsel zu einem erhöh­ ten Verschleiß an Laufkugeln und Kugelbahnen.

Werden demgegenüber spielarme oder spielfreie Passungen ver­ wendet, führt dies zu Erwärmung der Laufkugeln in den Käfig­ fenstern oder Kugelbahnen. Die dadurch erhöhte Reibung verur­ sacht entsprechende Leistungsverluste und eine frühzeitige Zerstörung der Gelenke infolge Überhitzung und sich daraus ergebender mechanischer Schäden.

Um zufriedenstellende und gleichbleibende Betriebseigenschaf­ ten der eingangs genannten Gelenke sicherzustellen, sind dem­ nach bestimmte Toleranzpaarungsklassen einzuhalten, deren Auswahl erhöhte Fertigungs- und Kontrollmaßnahmen erfordern. Dies ist mit erhöhten Kosten verbunden.

Im einzelnen ist eine genaue Herstellung der Kugelbahnen er­ forderlich, was mit zunehmendem Verschiebeweg erhöhten Auf­ wand fordert, zum anderen müssen die Käfigfenster sehr genau gefertigt sein und für bestimmte Kugelkäfigauswahlreihen sind entsprechende Laufkugelauswahlreihen bereitzustellen.

Ein Kriterium für ein einwandfreies Gelenk ist die innerhalb einer vorgeschriebenen Größenordnung liegende axiale Ver­ schiebekraft, die am unbelasteten Gelenk in beiden Richtungen kontrolliert wird.

Es ist bereits versucht worden, die hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit bzw. an die Auswahlgenauigkeit der Elemente dadurch zu reduzieren, daß Käfige mit Schlitzen an den Fensteröffnungen verwendet worden sind, in denen Laufku­ geln mit größerer Durchmesserstreuung spielfrei gehalten wer­ den sollten. Der Nachteil ist hierbei ein dem gegenüberste­ hender erhöhter Fertigungsaufwand für den Käfig. Im übrigen ist durch die Anordnung der Schlitze eine Drehmomentübertra­ gung nur in einer Drehrichtung des Gelenkes möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichlaufverschiebegelenk zu schaffen, bei dem Rillen und Kugelfenster mit jeweils größerer Streuung und größerem Spiel gegenüber den Laufkugeln verwendet werden können, ohne daß wesentliche funktionelle Nachteile in Kauf zu nehmen sind. Die Axialverschiebekraft des Gelenkes soll dabei innerhalb der geforderten Werte liegen.

Die Lösung hierfür liegt darin, daß bei einem Gleichlauf­ gelenk der genannten Art der Käfig gegenüber beiden Gelenk­ körpern axial verschiebbar ist und sich gegenüber einem der Gelenkkörper axial über ein Federelement abstützt und sich relativ zu diesem Gelenkkörper innerhalb eines Verschiebebe­ reiches axial bewegen kann, wobei das Federelement über den gesamten Verschiebebereich vorgespannt ist.

Durch die Kombinationen dieser Merkmale wird sichergestellt, daß das an sich vorhandene Spiel zwischen Kugelkäfig und Laufkugeln sowie Rillen und Laufkugeln durch eine Vorspannung zwischen einem der Gelenkkörper und dem Kugelkäfig auch im unbelasteten Zustand des Gelenkes ausgeschaltet wird, wobei sich die durch den Kugelkäfig belasteten Kugeln gegen die angestellten Kugelbahnen abstützen.

Wirkt ein Drehmoment auf das Gelenk, dann heben sich je nach der Kraftrichtung, z.B. drei Laufkugeln von den entlasteten Laufrillenflanken gleicher Schrägungsrichtung ab und bewegen sich gegen die Vorspannkraft des Federelements bis zur Anlage an die Gegenflanke der Laufrille, wo sie den Kraftschluß des Drehmoments übernehmen. Unabhängig vom Abnutzungsgrad arbei­ tet das Gelenk in allen Funktionsstellungen spielfrei und erzeugt gleichzeitig eine dauernde Axialkraft im Sinne eines Verlängerns des Gelenkes, wenn die Feder zwischen Käfig und innerem Gelenkteil angeordnet ist. Durch diese Kraft läßt sich in vielen Fällen eine gesonderte axiale Wellensicherung einsparen.

Werden zwei erfindungsgemäße vorgespannte Gelenke zu einer Gelenkwelle zusammengebaut, so erzeugt die Federspannung ei­ nen Mittelstelleffekt, der dafür sorgt, daß beide Gelenke unabhängig von der Betriebslänge der Gelenkwelle die gleichen Verschiebepositionen einnehmen.

Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist grundsätzlich sowohl eine federnde Abstützung des Käfigs gegenüber dem inneren Gelenkkörper oder dessen Welle als auch gegenüber dem äußeren Gelenkkörper oder dessen Wellenende möglich, wobei die Feder­ kraft vorzugsweise von einer Druckfeder aufgebracht werden kann.

Nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der äußere Gelenkkörper einen gleichbleibenden Innendurchmesser; der Käfig weist innen und außen eine Kugelabschnittsfläche auf und der innere Gelenkkörper hat außen zwei Teilflächen, die als Kugelabschnittsflächen dem Kugelkäfig angepaßt sind und die mit versetzten Mittelpunkten so ausgebildet sind, daß sich eine axiale Verschieblichkeit des inneren Gelenkkörpers innerhalb des Käfigs ergibt.

Die Möglichkeit der Gelenkabwinkelung ergibt sich durch das Zusammenwirken der paarigen, wechselseitig angeordneten Lauf­ rillen in Verbindung mit den in einer Ebene angeordneten und in den Käfigfenstern geführten Laufkugeln.

Gelenke der vorstehend beschriebenen Art, bei denen ein sanft wirkender Anschlag zwischen dem Käfig und dem inneren Gelenk­ körper vorgesehen ist, sind auch für die Verwendung an schwimmenden Gelenkwellen geeignet, d.h. für Gelenkwellen, die mit zwei gleichartigen erfindungsgemäß Verschiebegelenken ausgestattet sind. Der mögliche Verschiebebereich der Gelenk­ welle entspricht dabei dem doppelten des Verschiebebereiches eines Gelenkes.

Nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kugelkäfig innen und außen rein zylindrisch ausgebildet, wäh­ rend der innere und der äußere Gelenkkörper im Querschnitt jeweils konvexe, von den Längsrillen unterbrochene Umfangs­ flächen aufweisen. Der Verschiebebereich zwischen Käfig und Gelenkkörpern wird damit von diesen Flächen nicht beschränkt. Als geeignete Form für die genannte konvexe Fläche am inneren Gelenkkörper ist eine Kugelabschnittsfläche mit zwei daran anschließenden Konusflächen vorgesehen.

Die entsprechende Fläche im Gelenkaußenteil kann bevorzugt hierzu im Querschnitt symmetrisch sein. Der Öffnungswinkel der ggf. konischen Flächenbereiche entspricht der Hälfte des maximalen Beugungswinkels des Gelenkes.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann zugleich eine Aus­ gestaltung der Rillen gewählt werden, bei der der Rillengrund im Einschnitt gesehen konisch verläuft, und zwar am äußeren Gelenkkörper und am inneren Gelenkkörper in entgegengesetztem Sinn.

Bei den zuletzt beschriebenen Gelenkarten, die keine an Flä­ chen ausgebildeten Anschläge zur Begrenzung des Verschiebebe­ reiches aufweisen, handelt es sich um Gelenke, die bevorzugt für die Kombination mit einem Festgelenk an einer Gelenkwelle geeignet sind. Nach der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind jedoch auch solche Gelenke für schwimmende Welle verwendbar, da die beiden Federn die Welle im Bereich der Mittelstellung halten und ein freies Schwimmen der Welle verhindert wird.

Mit den erfindungsgemäßen Gelenken sind Längswellen mit ex­ trem großen Längenausgleich darstellbar, die außerdem den Vorteil einer Einsteckverbindung ohne zusätzliche Axialsiche­ rung haben; sogenannte "plug in"-Verbindungen. Die Anwendung erstreckt sich dabei auf Längswellen bei Kraftfahrzeugen und Halbwellen für den Hinterradantrieb, insbesondere, wenn ein großer Längenausgleich zur Montageerleichterung beim Einbau der Welle in das Fahrzeug benötigt wird. Die Wellen ohne be­ sonders ausgebildeten Anschlag können auch für Gelenkwellen mit einem Festgelenk und einem Verschiebegelenk für Frontan­ triebsverbindungen verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Gelenk mit kugeliger Abstützung in ge­ streckter Lage in äußerster Längung,

Fig. 2 ein Gelenk mit kugeliger Abstützung in abge­ winkelter Lage in äußerster Verkürzung,

Fig. 3 ein Gelenk mit großer Verschiebung ohne be­ sondere Abstützung in gestreckter Lage,

Fig. 4 ein Gelenk mit konisch verlaufenden Rillen ohne besondere Abstützung in gestreckter Lage.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile stets mit glei­ chen Bezugsziffern bezeichnet. Es ist jeweils ein äußerer Gelenkkörper 1, ein Kugelkäfig 3 und ein innerer Gelenkkörper 2 dargestellt, wobei letzterer mit einer Welle 4 drehfest und axial gesichert verbunden ist. Im Kugelkäfig 3 sind in Fen­ stern 5 Kugeln 6 geführt, die darüber hinaus in Rillen 7 des äußeren Gelenkkörpers und in Rillen 8 des inneren Gelenkkör­ pers axial verschieblich und drehfest gehalten sind. Diese vereinfacht dargestellten Rillen sind gegenüber der Axial­ richtung angestellt, wobei der Anstellwinkel sich gegenüber­ liegender Rillen gleich groß, jedoch entgegengesetzt anzuneh­ men ist. Eine vorgespannte Feder 9 stützt sich beidseitig gegenüber Blechringen 10, 11 ab, wobei der größere der geprä­ gten Blechringe am Kugelkäfig 3 und der kleine der geprägten Blechringe sich an einem Federring 12 abstützt, der in einer Wellennut 13 eingesetzt ist. Weitere Wellennuten 14, 15 mit Sicherungsringen 16, 17 sind im Bereich des Wellenendes zur Sicherung des inneren Gelenkkörpers 2 vorgesehen, der über eine Keilverzahnung 18 mit der Welle verbunden ist. Hat der Kugelkäfig 3 innen und außen Kugelflächen und ist gegenüber dem mit gleichbleibendem Querschnitt versehenen äußeren Gelenkkörper axial verschiebbar und bietet seinerseits Raum für eine axiale Verschiebbarkeit des mit zwei angepaßten Ku­ gelabschnittsflächen versehenen inneren Gelenkkörpers. Gleichzeitig folgt der Kugelkäfig bei einer Abwinkelung des Gelenkes mit dem halben Winkelbetrag in üblicher Weise. Durch die federnde Abstützung kommt der Kugelkäfig nach Fig. 1 und 2 beim nicht eingebauten Gelenk oder voller Ausnutzung der Längsverschiebung mit einer dieser Kugelflächen des inneren Gelenkkörpers zur Anlage, wobei die in Wechselwirkung mit den Flächen der Rillen stehenden Kugeln mit der in der Darstel­ lung rechts liegenden Begrenzung der Fensteröffnungen im Ku­ gelkäfig zur Anlage kommen. Bei Einfederung der Welle 4 bei Ausnutzung der Längsverschiebung gegenüber dem äußeren Gelenkkörper 1, gemäß Fig. 2 verschiebt sich der Kugelkäfig unter Verkürzung der Feder, bis sich der innere Gelenkkörper innerhalb des Kugelkäfigs an die linke innere Kugelfläche unter Überwindung der Federkraft abstützt. Hierbei bleiben die Kugeln durch die Wechselwirkung gegenüber den Rillen in Anlage mit den in der Zeichnung rechts dargestellten Begren­ zungsflächen der Fensteröffnungen.

Wird nicht der gesamte Verschiebeweg des Gelenkes ausgenutzt, dann bewegt sich das Gelenk innerhalb des möglichen Verschie­ bebereiches, ohne daß sich irgendein Gelenkteil abstützt.

In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausgestaltung dargestellt, bei der der Kugelkäfig 3 eine innen und außen zylindrisch begrenzte Buchse darstellt und der innere Gelenkkörper eine von den Rillen 8 unterbrochene äußere Fläche hat, die im Be­ reich der Mittelebene kugelig und daran anschließend zu bei­ den Seiten konisch ausgestaltet ist. Die von den Laufrillen 7 unterbrochene Gegenfläche des äußeren Gelenkkörpers 1 ist im Querschnitt hierzu in Bezug auf die Mittelebene des Kugelkä­ figs 3 symmetrisch ausgestaltet. Der Kugelkäfig 3 stützt sich wiederum über die Feder 9 gegenüber der Welle 4 ab. Der Ver­ schiebebereich ist dabei nicht durch die kugeligen Formen des inneren Gelenkkörpers und der Innenkontur des Käfigs be­ schränkt sondern wird durch die Fensterlängen bestimmt.

In Fig. 4 ist ein Gelenk dargestellt, bei dem der innere Gelenkkörper 2 außen kugelig und die entsprechende innere Gegenfläche des Kugelkäfigs innen zylindrisch ist, während der äußere Gelenkkörper 1 innen zylindrisch und die entspre­ chende Gegenfläche des Kugelkäfigs 3 außen kugelig ist. Ge­ genüber den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zeichnen sich die Rillen dadurch aus, daß sie im Längsschnitt bezüglich Rillengrundes in entgegengesetztem Sinne konisch verlaufen. Der Kugelkäfig 3 stützt sich hierbei gegenüber eine an den äußeren Gelenkkörper 1 angesetzten Ringteil 20 ab. Der äußere Gelenkkörper 1 ist zwischen einer Glocke 19 und dem Ringteil 20 eingespannt.

Neben den vorstehend beschriebenen Käfigformen sind weitere Abwandlungen möglich, wobei sich sowohl die äußere Fläche des Käfigs als auch die innere Fläche des Käfigs zwischen den Grundformen-Kugelfläche, zwei sich ergänzende Konusflächen und Zylinderfläche bewegen kann und dabei auch Übergangsform annehmen kann.

• Bezugszeichenliste  1 äußerer Gelenkkörper
   2 innerer Gelenkkörper
   3 Kugelkäfig
   4 Welle
   5 Fenster
   6 Laufkugel
   7 Rille (Kugelbahn)
   8 Rille (Kugelbahn)
   9 Feder
  10 Blechring (Federteller)
  11 Blechring (Federteller)
  12 Federring
  13 Wellennut
  14 Wellennut
  15 Wellennut
  16 Sicherungsring
  17 Sicherungsring
  18 Keilverzahnung
  19 Glocke
  20 Ringteil

Claims (12)

1. Gleichlaufverschiebegelenk mit Drehmomentübertragung durch in einem Käfig gehaltene umfangsverteilte Kugeln, die in sich in der Anzahl entsprechenden Rillen eines inneren und eines äußeren Gelenkkörpers geführt sind, wobei einander zugeordnete Rillen des inneren und des äußeren Gelenkkörpers parallel in entgegengesetztem Sinn um gleiche Beträge zur Axialrichtung angestellt sind, und der Käfig gegenüber beiden Gelenkkörpern axial ver­ schiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig sich gegenüber einem der Gelenkkörper axial über ein Federelement abstützt und sich relativ zu diesem Gelenkkörper innerhalb eines Verschiebebereiches axial bewegen kann, wobei das Federelement insbesondere als Druckfeder über den gesamten Verschiebebereich vor­ gespannt ist.

2. Gleichlaufverschiebegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft entsprechend der axialen Verschiebe­ kraft des Gelenkes im Verhältnis 2:1 ausgelegt ist.

3. Gleichlaufverschiebegelenk nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichent, daß die Laufkugeln in den Käfigfenstern und zwischen den Rillen leicht verbaut sind.

4. Gleichlaufverschiebegelenk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufkugeln bei Drehmoment Null des Gelenkes zwi­ schen den Käfigfensterflächen und den Rillenpaaren unter Federdruck stehen bzw. vorgespannt sind.

5. Gleichlaufverschiebegelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Federelement eine sich konisch erweiternde Schraubenfeder vorgesehen ist, deren eines Ende sich unmittelbar oder mittelbar am Käfig abstützt und deren anderes Ende sich unmittelbar oder mittelbar am entspre­ chenden Gelenkkörper oder an dem mit diesem verbundenen Wellenende abstützt.

6. Gleichlaufverschiebegelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement zwischen Käfig und innerem Gelenk­ körper angeordnet ist (Fig. 1 bis 3).

7. Gleichlaufverschiebegelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement zwischen Käfig und äußerem Gelenk­ körper angeordnet ist (Fig. 4).

8. Gleichlaufverschiebegelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstützung ein Federring in eine Außennut des mit dem inneren Gelenkkörper verbundenen Wellenendes oder in einer Innennut des äußeren Gelenkkörpers bzw. des mit diesem verbundenen Wellenendes vorgesehen ist.

9. Gleichlaufverschiebegelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß geprägte Blechringe die unmittelbaren Auflageflächen für die Enden der Schraubenfeder bilden.

10. Gleichlaufverschiebegelenk nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk durch die Federkraft außerdem in Richtung "Auseinanderziehen" bewegt wird.

11. Gleichlaufverschiebegelenk nach Anspruch 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk durch die Ferderkraft außerdem in Richtung "Zusammenziehen" bewegt wird.

12. Gleichlaufverschiebegelenk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei gleiche Gelenke in einer Gelenkwelle angeordnet, sich unabhängig von der jeweiligen Wellen­ länge auf die gleiche Position einstellen.