DE3644204C2

DE3644204C2 -

Info

Publication number: DE3644204C2
Application number: DE3644204A
Authority: DE
Inventors: Hans 7920 Heidenheim De Lindenthal
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1989-05-11
Also published as: IT1223576B; US4895549A; FR2608703B1; GB2200721A; GB2200721B; GB8729943D0; IT8723147A0; JPS63172021A; DE3644204A1; KR880007942A; FR2608703A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk für eine zur Übertragung hoher Drehmomente geeignete Gelenkwelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein Kreuzgelenk dieser Gattung ist bekannt aus der DE-PS 26 25 960 (GB-PS 15 39 497).

Beim Einsatz derartiger Gelenkwellen im Großmaschinenbau sind die Gelenke je nach Einsatzfall nicht nur hohen Drehmomenten, sondern auch in beträchtlichem Maße Querkräften ausgesetzt. Die Kreuzgelenke sind daher außer mit Radiallagern, die in erster Linie die Umfangskräfte zu übertragen haben, auch noch mit Axiallagern ausgerüstet zur Aufnahme der Querkräfte und zur Einstellung des Querspiels innerhalb des Gelenks. Die Übertra gung der Querkräfte vom Zapfenkreuz auf die Gelenkgabel oder umgekehrt erfolgt über die betreffenden Wälzlagerringe, die in der Aufnahmebohrung in der Gelenkgabel axial gesichert sein müssen, wobei diese Sicherung in vollem Umfang der Querkraft unterworfen ist.

Aus der DE-PS 26 25 960 ist bekannt, die in Zapfenlängsachse wirkenden Querkräfte direkt von der Zapfenstirnseite aus in den Lagerdeckel einzuleiten. Es besteht dann die Möglichkeit, die Querkraft entweder über Schrauben in die Gelenkgabel einzulei ten oder über einen Sicherungsring, der in Nuten innerhalb der Lagerbohrung eingelegt ist. Die Sicherungsringe aber sind den im Großmaschinenbau auftretenden Belastungen oft nicht gewach sen, sie werden aus der Nut gesprengt, was zu einer Zerstörung des Lagers führt.

Daher wurde versucht, die Querkraft vom Bereich der Zapfenwur zel aus, also dem Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Zapfen, auf einen mit Bund versehenen Radiallager-Außenring in die Gelenkgabel einzuleiten (Fig. 1 der genannten PS, DE-GM 18 58 494). Dazu muß jedoch der Außenring entweder vor der Montage des Zapfenkreuzes einge setzt oder das Lagerauge mit der Lagerbohrung in der Gelenkga bel zweiteilig ausgeführt werden. Die letztere Maßnahme bringt eine beträchtliche Schwächung des Gelenks sowie des Zapfenkreu zes im Bereich der Zapfenwurzel mit sich, weil durch diese An ordnung des Axiallagers im Bereich der Zapfenwurzel gerade der jenige Bauraum in Anspruch genommen wird, der für eine kräftige Ausbildung des Zapfenkreuzes notwendig ist.

Bei allen bisher beschriebenen Lösungen wird auch die betref fende Gelenkgabel mit der vollen Querkraft zusätzlich zur Um fangskraft beaufschlagt. Die gerade betroffene Gelenkgabelhälf te verformt sich dabei nach radial außen von der Gelenkachse weg. Durch diese Verformung wird das gegenüberliegende Axialla ger entlastet, und es entsteht ein entsprechendes Spiel. Das Spiel in der Gelenkwelle vermindert nicht nur die Laufruhe der Gelenkwelle und die Standzeit aller Lager des Gelenks, sondern beeinträchtigt ferner beim Einsatz der Gelenkwelle in Walzwer ken die Qualität des gewalzten Gutes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Kreuzge lenk derart weiterzubilden, daß alle Lager mit dem Ziel höherer Lebensdauer gleichmäßig belastet werden, und daß die Entstehung von Spiel im Gelenk infolge Einwirkung von Querkräften vermie den wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruches 1 gelöst. Der Erfinder hat erkannt, daß für die Trag fähigkeit der Wälzlager die Steifigkeit des ganzen Gelenks ver antwortlich ist, in erster Linie aber die Steifigkeit im Be reich der geschlossenen Lagerbohrungen in den einteiligen Ge lenkhälften sowie innerhalb der Lager selbst. Es wird demnach angestrebt, die Lager im Gelenk von der Verformung der übrigen Gelenkteile freizuhalten. Dies geschieht gemäß der Erfindung durch folgende Maßnahmen:

Das Zapfenkreuz weist eine zentral entlang der Zapfenachse ver laufende Längsbohrung durch die Zapfen auf, in der sich ein stabförmiger Anker befindet. An diesem Anker sind die Lager deckel der beiden einander gegenüberliegenden Lagerungen befe stigt. Die Lagerdeckel tragen auf ihrer Innenseite die radial äußere Laufbahn der Axiallager und liegen drehfest, aber ver schiebbar an den Stirnseiten der Gelenkgabel im Bereich der Lagerbohrungen auf. Der Lagerdeckel ist als ein separates Bau teil ausgebildet und frei von einer radialen Verbindung mit dem Gabel auge.

Ein Kreuzgelenk, dessen Zapfenkreuz mit Längsbohrungen versehen ist und durch die hindurch sich ein Zuganker erstreckt, ist aus der GB-PS 10 33 628 bzw. DE-AS 12 83 037, Fig. 2, bekannt. Die Zapfen sind dort in stirnseitig geschlossenen Lagerbüchsen mit Nadellagern ohne Innen- und Außenringe gelagert, wobei diese Lagerbüchsen selbst die Gelenkgabelhälften bilden und an die Stirnseite eines Flansches geschraubt sind. Der Zuganker hat vor allem die Aufgabe, die Fliehkräfte der beiden Lagerbüchsen als Ganzes aufzunehmen, wobei zu berücksichtigen ist, daß das Gelenk für hohe Drehzahl geeignet sein soll. Aufgrund der mehr teiligen Bauart eignet es sich aber nicht zur Übertragung hoher Drehmomente.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung hingegen wird folgendes er reicht: Die vom Zapfenkreuz auf die Gelenkgabel zu übertragende Querkraft, die sich bei entsprechender Winkelstellung der Ge lenkwelle als Axialkraft in Richtung der Zapfenachse von der Gelenkachse weg auswirkt, geht von der Stirnseite des Zapfens über die innere Laufbahn des Axiallagers und die Axiallagerrol len auf die andere Laufbahn am Lagerdeckel über. Dabei wird die Kraft aber nicht wie bei den bekannten Kreuzgelenken auf kürze stem Wege über den Lagerdeckel oder die Lagerbüchse mittels Schrauben, oder über den Schaft des mit dem Lagerdeckel verbun denen Radiallager-Außenringes mittels Sicherungsringen auf die Gelenkgabel übertragen. Gemäß der Erfindung wird die Querkraft von dem einen Lagerdeckel, der mit der Gelenkgabelhälfte nicht fest verbunden ist, in den mit diesem verbundenen Anker gelei tet, welcher bis zum Lagerdeckel der gegenüberliegenden Lage rung führt und dort in gleicher Weise befestigt ist. An dieser Stelle wird die Kraft mit Wirkungsrichtung zur Gelenkachse hin an dieser Gelenkgabelhälfte abgestützt. Der Lagerdeckel kann sich direkt an der Stirnseite der Gelenkgabel bzw. des Gabel auges abstützen, so daß er eine axiale Sicherung des Radialla ger-Außenringes darstellt. Der Lagerdeckel kann sich auch an der Stirnseite des Radiallager-Außenringes abstützen, wenn die ser von außen her in die Lagerbohrung bis zu einem Anschlag einschiebbar ausgebildet ist.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die beiden La gerdeckel der Gelenkgabel mittels des durch das Zapfenkreuz hindurchführenden Ankers zusammengespannt werden und dabei gleichzeitig die Radiallager-Außenringe in ihrer Lage halten. Eine gegen den einen Lagerdeckel wirkende Querkraft wird somit nicht von demjenigen Gelenkgabelauge aufgenommen, gegen das die Querkraft von der Gelenkachse her gerichtet ist, sondern vom gegenüberliegenden Gelenkgabelauge. Es kommt dadurch nicht zu einer Verformung desjenigen Gelenkgabelauges, in der das Axial lager von Querkraft beaufschlagt ist, weil die Querkraft von demjenigen Gelenkgabelauge aufgenommen wird, dessen Axiallager unbelastet ist. Die von der Gelenkgabel aufzunehmende Querkraft ist bei der erfindungsgemäßen Lösung immer zur Gelenkachse hin gerichtet, so daß Einrichtungen zur Siche rung von Lagerringen gegen Ausweichen nach radial außen entfal len können. Die axiale Sicherung für das Radiallager auf der einen Seite des Ankers übernimmt der Lagerdeckel am Radialla ger-Außenring der gegenüberliegenden Lagerung.

Wesentlich dabei ist vor allem der Umstand, daß durch diese Anordnung das belastete Lager von Verformungen im Bereich der Lagerbohrung in der Gelenkgabel freigehalten ist. Dadurch ist ein optimales Tragverhalten sowohl im Radiallager als auch im Axiallager gewährleistet und ohne Verlust an Bauraum auch eine optimale Lebensdauer.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Die Länge des die beiden Lagerdeckel ver bindenden Ankers kann so bemessen werden, daß beide Axiallager unter einer definierbaren Vorspannung stehen, die der Anker als Zugspannung ausübt. Die geschilderten Querkräfte treten immer gleichzeitig mit den aus der Drehmomentübertragung resultieren den Radialkräften in das Gelenk auf. Daher steht das Zapfen kreuz und auch die Gelenkgabel unter einer Verformung, die von der Drehmomentübertragung herrührt. Um das Axiallager auf der Innenseite des Lagerdeckels möglichst gleichmäßig zu belasten, ist vorgesehen, die eine Laufbahn des Axiallagers möglichst nahe an der Zapfenachse im stirnseitigen Bereich des Zapfens anzuordnen, vorzugsweise an der Stirnseite des Radiallager-In nenringes. Der Lagerdeckel, der gemäß der Erfindung weder mit dem Radiallager-Außenring noch mit der Gelenkhälfte selbst di rekt verbunden ist, kann mit einer radialen Bewegungsmöglich keit sowie einer Abdichtung gegen das Lagerinnere ausgestattet sein, so daß sich der Lagerdeckel mit dem daran befestigten Ende des Ankers den Verformungen anpassen kann, ohne sich von dem Radiallager-Außenring abzuheben. Dies gelingt besonders dann, wenn der Lagerdeckel in seinem äußeren Durchmesserbereich biegeelastisch, im Bereich der äußeren Laufbahn für die Rollen des Axiallagers hingegen biegesteif ausgeführt ist. Zwischen den beiden Lagerringen des Radiallagers kann im Bereich der Zapfenwurzel eine Dichtung gegen Austritt von Schmiermittel bzw. Eintritt von Schmutz angeordnet sein. Es ist ferner ohne Verlust von Bauraum möglich, am Radiallagerinnenring einen von der Zapfenachse wegweisenden Bund vorzusehen, der bis zum Au ßendurchmesser des Radiallager-Außenringes reicht und mit dem der Außenring gemeinsam mit dem Innenring aus der Lagerbohrung herausgezogen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Kreuzgelenk in einer durch die Zapfenachse gelegten und senkrecht auf der Gelenkachse stehenden Ebene

Fig. 2 eine andere Ausführungsform im Kontaktbereich des La gerdeckels an der Gelenkgabel.

Das Kreuzgelenk gemäß Fig. 1 weist eine aus zwei Hälften beste hende Gelenkgabel 1 auf, in deren Lagerbohrung 2 ein Zapfen kreuz 3 mittels einer Wälzlagerung drehbar gelagert ist. Die Wälzlagerung besteht aus einem Radiallager 5 mit einem Außen ring 6, den Rollen 7 und einem Innenring 8 sowie aus einem Axiallager 9. Die Rollen 10 des Axiallagers 9 wälzen sich auf einer inneren Laufbahn 11 ab, die sich stirnseitig am Innenring 8 des Radiallagers 5 befindet sowie auf einer äußeren Laufbahn 12, die an der Innenseite eines Lagerdeckels 14 angebracht ist. Zur radialen Führung der Rollen 10 kann ein Bund 13 am Innen ring 8 dienen.

Das Zapfenkreuz 3 weist eine entlang der Zapfenachse 15 durch die Zapfen 4 verlaufende zentrale Längsbohrung 16 auf, die von der einen Stirnseite bis zur gegenüberliegenden Stirnseite des Zapfenkreuzes 3 reicht. In der Längsbohrung 16 befindet sich ein langgestreckter Anker 17, an dem die Lagerdeckel 14 beider in der Zapfenachse 15 angeordneten Lagerungen befestigt sind, z.B. mittels Schrauben 18. Der Lagerdeckel 14 liegt ferner stirnseitig am Außenring 6 des Radiallagers 5 an, ist mit die sem aber nicht verbunden. Der Außenring 6 ist entlang der Zapfenachse 15 von radial außen her in Richtung zur Gelenkachse 19 bis zu einem Anschlag einschiebbar. Dieser Anschlag kann wie dargestellt ein von der Zapfenachse 15 wegweisender Bund 20 am Außenring 6 sein, der an der Gelenkgabel 1 zum Anliegen kommt. Stattdessen kann auch ein zur Zapfenachse 15 weisender Bund in der Bohrung 2 der Gelenkgabel 1 vorgesehen sein. Der Lager deckel 14 weist gegenüber der Stirnseite des Außenringes 6 bzw. der Gelenkgabel 1 eine radiale Bewegungsmöglichkeit auf und ist ferner gegen Austritt von Schmiermittel aus der Lagerung mit einer Abdichtung 21 versehen. Außerdem ist der Lagerdeckel 14 gegenüber dem Außenring 6 oder der Gelenkgabel 1 gegen Verdre hung gesichert (nicht dargestellt). Eine weitere Abdichtung 22 befindet sich zwischen dem Außenring 6 und dem Innenring 8. Der Innenring 8 weist ferner in dem der Gelenkachse 19 zugewandten Wurzelbereich 23 des Zapfens 4 einen sich von der Zapfenachse 15 weg erstreckenden Bund 24 auf, der bis in den Durchmesserbe reich des Außenringes 6 reicht. Mit diesem Bund kann bei der Demontage des Gelenks der Außenring 6 mit dem Innenring 8 ge meinsam aus der Bohrung 2 herausgezogen werden.

Das bekannte Gelenk weist an der Stirnseite der Zapfen stufen förmige Absätze auf. Dadurch läßt sich das Zapfenkreuz von in nen in die Lagerbohrungen einfädeln, bevor die Lager von außen eingesetzt werden. Dieser stufenförmige Absatz läßt sich bei der Erfindung dadurch nutzen, daß der Innenring 8 mit einem Bund 25 versehen wird, der als Anschlag bei der Montage dient sowie als innere Laufbahn 11 für die Rollen 10 des Axiallagers 9.

Es ist beim bekannten Kreuzgelenk nicht möglich, die Axiallager unter eine kontrollierbare Vorspannung zu stellen. Die Siche rungsringe für den Außenring, die die Querkraft in die Gelenk gabel einleiten sollen, lassen sich nur in die Nut einsetzen, wenn der betreffende Lagerring nicht unter Vorspannung steht. Bei der Erfindung dagegen ist der Anker 15 in der Lage, die Axiallager durch exakte Längenbemessung unter definierbare Vor spannung zu setzen. Dadurch, daß die Axiallager 9 an den Stirn seiten der Zapfen 4 angeordnet sind, unterliegen sie nicht der Verformung des Zapfens 4 an deren Zapfenwurzel 23. Die Verfor mung der Bohrung 2 in der Gelenkgabel und der Lagerung unter der Wirkung der Umfangskraft kann von dem Lagerdeckel 14 ela stisch aufgenommen und in den Anker 15 eingeleitet werden. Da bei ist es vorteilhaft, den äußeren Durchmesserbereich des La gerdeckels 14 so biegeweich auszubilden, daß dennoch kein Abhe ben von der Stirnseite des Außenringes 6 eintritt. Als Vorteil erweist es sich, daß bei der Übertragung der Querkraft von ei ner Gelenkhälfte zur anderen diese elastisch unter der vom An ker 17 ausgeübten Zugvorspannung stehen. Dadurch können die Lagerdeckel 14 ohne Bildung von Spiel in den Lagern (infolge radialer Aufweitung beim Auftreten von Querkräften) und somit Spiel im Gelenk den unvermeidbaren Verformungen folgen. Der Anker 17, der die Lagerdeckel 14 und Axiallager 9 gegeneinander verspannt, trägt somit zu einer beträchtlichen Erhöhung der Steifigkeit des Gelenkes und somit der Lebensdauer aller Lager bei.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Kreuzgelenk ist besonders vorteilhaft anwendbar bei Gelenkwellen mit einem Zapfenkreuz, dessen Zapfen in zwei entlang der Gelenkachse versetzten Ebenen angeordnet sind, ferner bei Gelenkwellen, deren Stirnseiten rohrförmig enden, z.B. gemäß dem DE-GM 87 17 365.4.

In Fig. 2 ist eine andere Anordnung des Lagerdeckels 14 im Be reich der Gelenkgabel dargestellt. Der Radiallager-Außenring 6 ist stirnseitig ohne Bund ausgeführt und schließt glatt mit der Lagerbohrung 2 ab. Der Anschlag für den Außenring befindet sich (nicht dargestellt) an der Innenseite der Lagerbohrung 2. Der Lagerdeckel 14 stützt sich mit radialer Beweglichkeit und Ab dichtung sowie Verdrehsicherung (nicht dargestellt) direkt am äußeren Ende an einer bearbeiteten Fläche der Gelenkgabel ab.

Claims

1. Kreuzzapfengelenk für eine zur Übertragung hoher Drehmomen te geeignete Gelenkwelle, mit zwei Gelenkgabeln, von denen jede mit zwei Zapfen eines Zapfenkreuzes verbunden ist, mit den folgenden Merkmalen:

a) jede Gelenkgabel ist einteilig, d.h. eine Gelenkga bel-Nabe und zwei Gabelaugen bilden miteinander ein einstückiges Bauteil;
b) jeder Zapfen des Zapfenkreuzes ist mittels eines Ra diallagers, dem ein Außenring (6) zugeordnet ist, und mittels eines hiervon separaten Axiallagers in dem zugeordneten, mit einem Lagerdeckel versehenen Gabel auge gelagert;
c) das Axiallager befindet sich zwischen der Stirnseite des Zapfens und dem Lagerdeckel, der (mittelbar oder unmittelbar) auf einer von der Gelenkwellen-Drehachse abgewandten Stützfläche des Gabelauges ruht;

gekennzeichnet durch die folgenden teilweise an sich be kannten Merkmale:

d) entlang der Achsen der Zapfen (4) erstreckt sich eine zentrale Längsbohrung (16) durch das Zapfenkreuz (3);
e) durch die zentrale Längsbohrung (16) erstreckt sich ein Zuganker (17), der zwei einander gegenüberliegende Lagerdeckel (14) miteinander verbindet;
f) der Lagerdeckel (14) ist ein vom Außenring (6) separa tes Bauteil und ist frei von einer radialen Verbindung mit dem Gabelauge.

2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerdeckel (14) gegenüber der Gelenkgabel gegen Ver drehung gesichert und radial beweglich ist.

3. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge des Ankers (17) so bemessen ist, daß beide Axiallager (9) nach der Befestigung der Deckel (14) an dem Anker (17) unter axialer Vorspannung stehen.

4. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Radiallager (5) einen Innenring (8) aufweist mit einer der Stirnseite des Zapfens (3) zuge wandten Ringfläche (11) als Laufbahn für das Axiallager (9).

5. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ende des Zapfens (4) gegenüber dessen Schaft stufenförmig verjüngt ist und der Innenring (8) des Radiallagers (5) mit einem in diese Verjüngung eintauchen den zur Zapfenachse weisenden Bund (25) versehen ist, auf dem sich die eine Laufbahn (11) des Axiallagers (9) befin det.

6. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß einer der Außen- oder Innenringe (6, 8) des Radiallagers (5) mit einem zum anderen Ring weisenden Bund (24) versehen ist zum gemeinsamen Abziehen bei der Demontage aus der Lagerbohrung.

7. Kreuzgelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abziehbund (24) am Innenring (8) des Radiallagers (5) angebracht ist und sich von der Zapfenachse weg erstreckt bis in den Durchmesserbereich des Außenrings (6).

8. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen dem Innenring (8) und Außenring (6) in dem der Zapfenwurzel (23) zugewandten Bereich eine Dichtung (22) vorgesehen ist.

9. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lagerdeckel (14) im Bereich der ande ren Laufbahn des Axiallagers (9) biegesteif und im Bereich der Auflagefläche auf dem Außenring (6) des Radiallagers (5) biegeelastisch ausgebildet ist.

10. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rollen (10) des Axiallagers (9) im Lagerdeckel (14) oder im Innenring (8) des Radiallagers (5) geführt sind.

11. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge keinnzeichnet, daß die Lagerbohrungen (2) in einer als rohr förmig endenden Stirnseite einer Welle angeordnet sind.

12. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Zapfenkreuz (3) zwei Paare von Zapfen (4) aufweist, die in zwei parallelen und entlang der Ge lenkachse (19) versetzten Ebenen angeordnet sind.