DE3700868C1 - Constant-velocity fixed joint - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlauf-Festgelenk mit einem äußeren hohlen Gelenkkörper, auf dessen Innenseite eine Anzahl meridional verlaufender Rillen ausgebildet ist, einem in dem äußeren Gelenkkörper angeordneten inneren Ge­ lenkkörper mit einer gleichen Anzahl meridional verlauf­ ender Rillen auf seiner Außenseite, wobei jeweils ein durch eine Rille des äußeren und eine Rille des inneren Gelenkkörpers gebildetes Rillenpaar zur Drehmomentübertra­ gung eine Kugel aufnimmt, und einem zwischen dem äußeren und dem inneren Gelenkkörper angeordneten Käfig zur Kugel­ halterung, wobei auf den Gelenkkörpern wenigstens drei Ril­ lenpaare mit Rillenmittellinien, deren Krümmungsmittel­ punkte nach entgegengesetzten Seiten der Gelenkhalbierungs­ ebene um gleiche Abstände versetzt sind, und wenigstens drei Rillenpaare mit Mittellinien, deren Krümmungsmittel­ punkte in der Halbierungsebene des Gelenks liegen, ausge­ bildet sind.

Bei bekannten Gleichlauf-Festgelenken nach der US-PS 20 46 584 verlaufen die im Querschnitt etwa halb­ kreisförmigen Rillen bzw. die Rillenmittellinien eines je­ den Rillenpaares nicht konzentrisch zum Knickpunkt des Ge­ lenks, sondern die Krümmungsmittelpunkte der beiden Rillenmittellinien sind beiderseits in gleichem Abstand von der Symmetrieebene des Gelenks angeordnet. Durch diesen Rillenverlauf werden bei einer Abwinkelung des Ge­ lenks die im allgemeinen sechs Übertragungskugeln in die Symmetrieebene gesteuert, eine Voraussetzung für den Gleichgang unter Abwinkelung. Diese Steuerfunktion ist im gesamten Beugungswinkelbereich, speziell auch bei kleinen Beugungswinkeln im Bereich von 0 bis 20° wirksam.

Die zueinander versetzte Ausbildung der Rillen in den Kugelflächen des äußeren und inneren Gelenkkörpers hat zur Folge, daß sich die Rillentiefen in Rillenlängsrichtung kontinuierlich ändern, wobei die Tiefe von einem mittleren Wert in der Gelenkmittelebene bei δ = 0 in der einen Richtung abnimmt und in der anderen Richtung zunimmt. Außerdem wird der Käfig durch die Steuerfunktion der Kugeln in den versetzten Rillen axial belastet. Die Axial­ kraft steigt mit der Größe des zu übertragenden Drehmo­ mentes und des Konvergenzwinkels α. Das hat zur Folge, daß die Kugeln beim Antrieb unter großen Beugungswinkeln bis in Rillenbereiche schwingen, in denen die Rille des inneren oder äußeren Gelenkkörpers nur noch flach ist. In diesen flachen Rillenbereichen sind einerseits die Kon­ taktbedingungen zwischen Kugel und Rille sehr ver­ schlechtert, andererseits wird der durch hohe Axialkraft belastete und nur noch gering zentrierte Käfig an dieser Stelle verklemmt und aus dem Gelenk herausgehebelt; es kann zum schnellen Verschleiß bis zum plötzlichen Bruch des Gelenkes kommen. Bei Geländewagen oder schweren Arbeitsfahrzeugen mit Lenktriebachsen sowie auch bei Frontantriebsfahrzeugen mit Sperrdifferential, kommt es häufig vor, daß auch bei starkem Lenkeinschlag bzw. großem Beugungswinkel zugleich große Drehmomente zu übertragen sind oder wirksam werden. Bei diesen Anwendungsfällen unterliegen die bekannten Gleichlaufgelenke einem erheblichen Verschleiß bis hin zur Bruchgefahr.

Ein Gleichlauf-Festgelenk der eingangs genannten Art ist aus der DE-AS 18 17 284 bekannt, bei dem in Umfangsrich­ tung der Drehmomentübertragung dienende größere Kugeln und der Steuerung des Käfigs auf die winkelhalbierende bei Ge­ lenkbeugung dienende kleinere Kugeln vorgesehen sind, die aufgrund der Größe und der Bahnquerschnittsform an der Drehmomentübertragung im wesentlichen nicht beteiligt sind. Die größeren Kugeln sind in Kugelbahnen im äußeren und inneren Gelenkkörper geführt, deren Krümmungsmittelpunkte konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt liegt, während die kleineren Steuerkugeln im äußeren und inneren Gelenkkör­ per in Kugelbahnen geführt sind, deren Mittelpunkte in axialer Richtung zueinander um gleiche Abstände versetzt sind. Die Drehmomentkapazität dieses Gelenkes soll zwar durch diese Bauweise erhöht werden, ist aber durch die geringere Kugelgröße und durch die Bahnquerschnittsform der Steuerkugeln noch eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichlauf- Festgelenk mit erhöhter Übertragungskapazität im Bereich größerer Beugungswinkel, etwa ab 20° zu schaffen. Insbe­ sondere soll das neue Gleichlaufgelenk im Beugungswinkel­ bereich von 40° bis 50° eine gegenüber den obenge­ nannten herkömmlichen Gleichlaufgelenken erheblich ge­ steigerte Übertragungskapazität aufweisen, so daß es bei Anwendungsfällen, wo große Beugungswinkel und hohe Dreh­ momentübertragung gefordert sind, gefahrloser eingesetzt werden kann. Darüber hinaus soll das Gelenk in seinem gesamten Beugungswinkelbereich gut steuerbar sein, und der Verschleiß des Käfigs soll verringert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs ge­ nannten Gleichlauf-Festgelenk dadurch gelöst, daß die Kugeln in allen Rillenpaaren gleich dimensioniert sind und daß alle Kugeln gleichrangig zur Drehmomentübertragung dienen.

Die Rillenpaare mit versetzten Rillen gewährleisten die Steuerung der Kugeln in der Halbierungs­ ebene über den gesamten Beugungswinkelbereich und beauf­ schlagen den Käfig mit Axiallast. Außerdem wird durch die in den flachen Rillen geführten Kugeln mit zunehmendem Beugungswinkel die Übertragungskapazität dieser Kugeln immer stärker eingeschränkt. Die konzentrisch verlaufenden Rillenpaare haben jedoch über den gesamten Beugungswinkelbereich gleichblei­ bende Rillentiefen und daher auch eine über den gesamten Bereich gleichbleibend hohe Drehmoment-Übertragungskapazität, ohne den Käfig axial zu belasten. Durch die Kombination beider Arten von Rillenpaaren nimmt die Drehmoment-Übertragungs­ kapazität im Beugungswinkelbereich oberhalb von 20° weniger ab, so daß das Gelenk auch bei großen Beugungswinkeln für die Übertragung großer Drehmomente geeignet ist. Die bei den konzentrischen Rillenpaaren fehlende Steuerbarkeit der Kugeln im Bereich kleiner Beugungswinkel zwischen 0 und etwa 20° ist bei dem erfindungsgemäßen Gelenk nicht nachteilig, weil die Kugelsteuerung durch die Rillenpaare mit ver­ setzten Rillen bewirkt wird. Da überdies die Kugeln in den konzentrischen Rillenpaaren keine Axialkraft auf den Käfig ausüben und auch nicht in den Käfigfenstern in radialer Richtung schwingen, werden die Fensterkanten gering be­ ansprucht und der Verschleiß bleibt insoweit niedrig. Zudem bleiben die Reibungskräfte zwischen dem Käfig und der Zentrierfläche des äußeren Gelenkkörpers einerseits und der Zentrierfläche des inneren Gelenk­ körpers andererseits gering.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Konvergenzwinkel α der versetzten Rillen der aus diesen bestehenden Rillenpaare bei einem Beugungswinkel δ = 0 in dem Bereich von 20 bis 24°, vorzugsweise bei 22°. Die dadurch erzeugten Steuerkräfte der Kugeln reichen aus, um die im Bereich kleinerer Beugungswinkel ungesteuerten Kugeln in den konzentrischen Rillen mit zu steuern.

Zweckmäßigerweise weist das erfindungsgemäße Gleichlauf- Festgelenk drei Rillenpaare mit versetzten Krümmungs­ mittelpunkten und drei Rillenpaare mit zentrischen Krüm­ mungsmittelpunkten auf. Die Rillenpaare beider Typen wechseln in Umfangsrichtung miteinander ab und haben zweckmäßigerweise gleichen Abstand voneinander, so daß einem Rillenpaar mit versetzten Krümmungsmittelpunkten diagonal ein Rillenpaar mit zentrischem Krümmungsmittel­ punkt gegenüberliegt. Es kann die gleiche Anzahl von Rillenpaaren beider Typen vorgesehen sein; andererseits ist es auch möglich, nur drei Rillenpaare mit versetzten Krümmungsmittelpunkten, jedoch mehr als drei, z. B. sechs oder neun Rillenpaare mit zentrischen Krümmungsmittel­ punkten vorzusehen, wenn die Übertragungskapazität dies erfordert. Auf jeden Fall wird die Übertragungskapazität durch die Anzahl der Kugeln wesentlich mitbestimmt.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenks sind die versetzten Krümmungsmittelpunkte und der zentrische Krümmungsmittelpunkt der Rillen bzw. Rillen­ mittellinien auf einer zur Gelenkmittelebene senkrechten Geraden, vorzugsweise auf der Achse des gestreckten Ge­ lenks angeordnet und haben vorzugsweise gleiche Krümmungs­ radien.

Der Beugungswinkelbereich des Gleichlauf-Festgelenks der Erfindung beträgt 0 bis etwa 50°. Dabei ist das übertrag­ bare maximale Drehmoment im Bereich 0 bis etwa 20° im Ver­ gleich zum herkömmlichen Gleichlauf-Festgelenk nach der US-PS 20 46 584 etwas ver­ ringert. Im Bereich von etwa 20° bis etwa 50° wird das übertragbare Drehmoment jedoch mit wachsendem Beugungs­ winkel in zunehmendem Maße im Vergleich zu dem bekannten Gelenk vergrößert.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Axialschnitt einer Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Gelenks unter Abwinkelung,

Fig. 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Gelenk längs der Halbierungsebene unter extremer Abwinke­ lung,

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend Fig. 1, jedoch in ge­ streckter Gelenkstellung, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des durch das Gelenk übertragbaren Drehmoments in Abhängigkeit vom Beu­ gungswinkel beim herkömmlichen Gleichlauf-Festge­ lenk (I) und beim erfindungsgemäßen Gelenk (II).

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist auf dem Zapfen einer Antriebswelle 1 ein glockenförmiges Ge­ häuse 2 mit einem äußeren Gelenkkörper 3 angeordnet. Auf der kugelförmigen Innenseite 3 a sind drei meridional ver­ laufende, über den Umfang gleichmäßig verteilte Rillen 5 ausgebildet. Der Krümmungsmittelpunkt 6 der Mittellinien der Rillen 5 ist gegenüber dem Gelenkmittelpunkt 10 zur Antriebsseite 8 hin versetzt. Auf der Innenseite 3 a des äußeren Gelenkkörpers 3 sind ferner drei meridional ver­ laufende Rillen 7 ausgebildet, die jeweils zwischen den Rillen 5 angeordnet und ebenso wie diese in Umfangsrich­ tung gleichmäßig verteilt sind. Die Krümmungsmittelpunkte der Mittellinien der Rillen 7 liegen im Gelenkmittelpunkt 10.

Auf dem Zapfen der Abtriebswelle 8 ist der innere Gelenk­ körper 11 drehfest angebracht. Auf seiner kugelförmigen Außenfläche 11 a sind analog den Rillen 5 drei über den Um­ fang gleichmäßig verteilte Rillen 12 ausgebildet. Die Krümmungsmittelpunkte der Mittellinien der Rillen 12 liegen in dem Punkt 9, der gegenüber der Symmetrie- bzw. Halbierungsebene 13 des Gelenks um die gleiche Strecke, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie Punkt 6 versetzt ist. Auf der Außenseite 11 a des inneren Gelenkkörpers 11 sind ferner drei über den Umfang gleichmäßig verteilte Rillen 14 ausgebildet, die mit den Rillen 12 abwechseln. Auf diese Weise sind je drei Rillenpaare 5, 12 und 7, 14 ge­ bildet, in denen je eine Kugel 15 a bzw. 15 b aufgenommen ist.

Zwischen der Innenseite 3 a des äußeren Gelenkkörpers 3 und der Außenseite 11 a des inneren Gelenkkörpers 11 ist ein kugelringförmiger Käfig 16 angeordnet, in dessen Fenstern 16 a die Kugeln 15 a, 15 b gehalten werden. Der Käfig 16 ge­ währleistet die gleichzeitige Bewegung aller sechs Kugeln und bei einer Beugung des Gelenks die Einstellung aller Kugeln in der Halbierungsebene 13. Dabei werden primär nur die drei Kugeln 15 a in den Rillenpaaren 5, 12 in die Hal­ bierungsebene 13 gesteuert, während die drei ungesteuerten oder "faulen" Kugeln 15 b sekundär von den gesteuerten Kugeln 15 a über den Käfig 16 mitgesteuert werden. Um die Mitsteuerung der "faulen" Kugeln sicher zu gewährleisten, ist der Versatz der Rillen 5, 12 gegenüber dem herkömm­ lichen Gleichlauf-Festgelenk so vergrößert, daß der die Steuerungskraft beeinflussende Konvergenzwinkel bei α = 0 nunmehr 20 bis 24°, insbesondere 22°, beträgt.

Fig. 2 zeigt den Halbierungsschnitt des in Fig. 1 ge­ zeigten Gelenks bei maximalem δ. Anhand der Fig. 2 ist erkennbar, daß die Kugeln 15 a in den die Steuerung be­ wirkenden drei Rillenpaaren 5, 12 bei Drehung des abge­ winkelten Gelenks Umfangs- und radiale Schwingungen auf der exzentrischen Ellipsenbahn 17 a ausführen (in Fig. 2 sind die elliptischen Bahnen 17 a und 17 b vereinfacht kreisförmig gezeichnet), während die drei ungesteuerten Kugeln 15 b in den zentrischen Rillenpaaren 7, 14 lediglich in Umfangsrichtung schwingen, jedoch nicht radial; sie be­ wegen sich auf der zentrischen Ellipsenbahn 17 b. Die in Fig. 2 dargestellte Momentanposition der Kugeln läßt die zeitlich in radialer Richtung gleichbleibende, in bezug auf den Käfig 16 mittlere Position der ungesteuerten Kugeln 15 b erkennen. Andererseits zeigt die Darstellung die gesteuerten Kugeln 15 a in momentanen Schwing­ positionen, nämlich die nach außen geschwungene obere Kugel 15 a und die beiden nach innen geschwungenen unteren Kugeln 15 a.

Es ist erkennbar, daß die Kugeln 15 a in den dargestellten Positionen nur einen geringen Beitrag zur Drehmomentüber­ tragung leisten können, weil sie auf einer Seite nur noch einen geringen Eingriff in die Gelenkkörper 11, 3 haben. Die zentrisch geführten Kugeln 15 b behalten dagegen auch bei extremen δ gleich tiefen Eingriff in beide Ge­ lenkkörper 3, 11. Die Reibung des Käfigs 16 an der Innen­ seite 3 a des äußeren Gelenkkörpers 3 und auf der Außenseite 11 a des inneren Gelenkkörpers 11 wird bis fast auf den halben Wert verringert. Das maximale übertragbare Drehmoment oder aber die Gelenkdrehzahl können daher bei großen Beugungswinkeln aufgrund der Kugeln 15 b wesentlich gesteigert werden. Das Gelenk eignet sich daher für Anwen­ dungsbereiche, wo auch unter hohen Beugungswinkeln, d. h. z. B. im Bereich von 40° bis 50°, starke Drehmomente über­ tragen werden sollen. Selbstverständlich können zur Über­ tragung hoher Drehmomente mehr als sechs Kugeln vorgesehen werden, beispielsweise drei gesteuerte Kugeln 15 a und sechs ungesteuerte Kugeln 15 b, wobei zwischen zwei ge­ steuerten Kugeln 15 a jeweils zwei ungesteuerte Kugeln 15 b vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt ein Gelenk analog Fig. 2, jedoch in ge­ streckter Stellung. Alle Bezugszeichen entsprechen den­ jenigen der Fig. 2; die Größe des Beugungswinkels δ = 0.

In Fig. 4 ist der Verlauf des übertragbaren Drehmoments M _x in Abhängigkeit vom Beugungswinkel δ des Gelenks für das herkömmliche Gleichlauf-Festgelenk (Kurve I) und für das erfindungsgemäße Gelenk mit gesteuerten und ungesteuerten Kugeln (Kurve II) qualitativ dargestellt. Man erkennt, daß im Beugungswinkelbereich von 0 bis etwa 20° das erfin­ dungsgemäße Gelenk eine etwas geringere Übertragungskapa­ zität als das herkömmliche Gelenk nach der US-PS 20 46 584 zeigt.

Da in diesem Bereich die Kapazität jedoch ohnehin groß ist, stellt diese Verringerung keinen gravierenden Nach­ teil dar. Viel wesentlicher ist jedoch, daß das über­ tragbare Drehmoment aus den vorstehend erläuterten Gründen im Bereich großer Beugungswinkel bedeutend gesteigert wird, so daß das erfindungsgemäße Gelenk in den Fällen eingesetzt werden kann, wo große Beugungswinkel gefordert werden und das herkömmliche Gleichlauf-Festgelenk nach der US-PS 20 46 584 wegen unzureichender Übertragungskapazität nicht mehr eingesetzt werden kann. Die Anwendungsfälle sind inbesondere Gelenke in Lenktriebachsen, wie z. B. bei allradgetriebenen Ge­ lände- und Arbeitsfahrzeugen.

Claims (6)

1. Gleichlauf-Festgelenk mit einem äußeren hohlen Gelenk­ körper, auf dessen Innenseite eine Anzahl meridional verlaufender Rillen ausgebildet ist, einem in dem äußeren Gelenkkörper angeordneten inneren Gelenkkörper mit einer gleichen Anzahl meridional verlaufender Rillen auf seiner Außenseite, wobei jeweils ein durch eine Rille des äußeren und eine Rille des inneren Gelenkkörpers gebildetes Rillenpaar zur Drehmomentübertragung eine Kugel auf­ nimmt, und einem zwischen dem äußeren und dem inneren Gelenkkörper angeordneten Käfig zur Kugelhalterung, wobei auf den Gelenkkörpern wenigstens drei Rillenpaare mit Rillenmittellinien, deren Krüm­ mungsmittelpunkte nach entgegengesetzten Seiten der Halbierungsebene um gleiche Abstände versetzt sind, und wenigstens drei Rillenpaare (7, 14) mit Rillenmittellinien, deren Krümmungsmittelpunkte in der Halbierungsebene des Gelenkes liegen, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (15 ^a ; 15 ^b ) in allen Rillenpaaren (5, 12; 7, 14) gleich dimensioniert sind und daß alle Kugeln gleich­ rangig zur Drehmomentübertragung dienen.

2. Gleichlauf-Festgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvergenzwinkel α der versetzten Rillen (5, 12) bei einem Beugungswinkel δ = 0 in dem Bereich von 20 bis 24°, vorzugsweise bei 22° liegt.

3. Gleichlauf-Festgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es drei Rillenpaare (5, 12) mit versetzten Krüm­ mungsmittelpunkten (6, 9) und drei Rillenpaare (7, 14) mit zentrischem Krümmungsmittelpunkt (10) aufweist.

4. Gleichlauf-Festgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleiche Anzahl von Rillenpaaren beider Typen (5, 12; 7, 14) vorgesehen ist und die Rillenpaare beider Typen miteinander abwechseln.

5. Gleichlauf-Festgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die versetzten Krümmungsmittelpunkte (6, 9) und der zentrische Krümmungsmittelpunkt (10) auf einer zur Gelenkmittelebene (13) senkrechten Geraden, vorzugs­ weise auf der Achse des gestreckten Gelenks, ange­ ordnet sind.

6. Gleichlauf-Festgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien beider Typen von Rillenpaaren (5, 12; 7, 14) gleich groß sind.