DE3710827A1

DE3710827A1 - Homokinetisches universalgelenk

Info

Publication number: DE3710827A1
Application number: DE19873710827
Authority: DE
Inventors: Keiji Iwasaki; Yukimitsu Yamamoto; Masao Kato; Mikio Banno
Original assignee: NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1987-04-01
Publication date: 1987-10-15
Also published as: FR2596829B1; KR870010331A; GB8707794D0; GB2188701A; FR2596829A1; JPH031528B2; JPS62233522A; KR930004563B1; GB2188701B; DE3710827C2; AU598983B2; AU7075687A; US4773890A

Description

Die Erfindung betrifft ein homokinetisches Universalgelenk, wie es in der Hauptsache für Fahrzeuge mit Vorderradantrieb verwendet wird, und ins besondere ein Dreibein-Gleichlaufgelenk.

Ein konventionelles Universalgelenk dieser Art ist in Fig. 8 veranschau licht. Es weist einen Außenring 1 auf, der an seiner Innenseite mit drei axial verlaufenden zylindrischen Spurrillen 2 versehen ist, ferner ein in dem Außenring 1 gelagertes, mit radial abstehenden Drehzapfen 4 verse henes Dreibein 3 sowie kugelige Rollen 5, die auf den Drehzapfen 4 dreh bar und axial verschiebbar gelagert sind. Jede kugelige Rolle 5 kann mit Führungsflächen 6 in Eingriff kommen, die an beiden Seiten der Spurril len 2 ausgebildet sind.

Wenn bei einem homokinetischen Universalgelenk dieser Art Drehmoment übertragen wird, während der Außenring 1 einen Arbeitswinkel mit Be zug auf das Dreibein 3 bildet, taucht jede der kugeligen Rollen 5 mit Be zug auf die Führungsfläche 6 der zugehörigen zylindrischen Spurrille 2 schräg ein, wie dies in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, so daß eine normale Abwälzbewegung der kugeligen Rolle 5 behindert wird.

Obwohl nämlich jede kugelige Rolle 5 in der durch den Pfeil (a) angedeute ten Richtung sich abzuwälzen sucht, wird sie gezwungen, sich entlang der betreffenden Spurrille 2 zu bewegen, die zylindrisch ist und parallel zu der Achse des Außenrings 1 verläuft. Infolgedessen kann es zu einem Schlupf zwischen den Führungsflächen 6 an den Spurrillen 2 und den kugeligen Rollen 5 kommen. Dies verursacht einen Wärmeaufbau und das Entstehen von Axialkräften, die zu Vibrationen führen können.

In Fig. 10 ist die Beziehung zwischen dem Phasenwinkel des Gelenks und der induzierten Axialkraft veranschaulicht.

Der Mechanismus der Erzeugung von induzierten Axialkräften sei unter Be zugnahme auf die Fig. 6 und 7 erläutert. Fig. 7 zeigt, wie die Bauteile angeordnet sind, wenn Drehmoment übertragen wird, während der Außen ring 1 einen Arbeitswinkel mit Bezug auf das Dreibein 3 bildet.

Wenn das Gelenk rotiert, führen die auf den Drehzapfen 4 des Dreibeins 3 gelagerten kugeligen Rollen 5 eine hin- und hergehende Bewegung in der Axialrichtung des Außenringes 1 entlang den Führungsflächen 6 des Außen ringes 1 aus. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, kommt es zu einer Gleitbewegung der drei kugeligen Rollen 5 vom Punkt P zu P′, vom Punkt Q zu Q′ bzw. vom Punkt R zu R′. Die kugeligen Rollen 5 bewegen sich dann in die Aus gangsstellung zurück, wobei sie bei jeder Drehung des Gelenks eine ge schlossene Bewegungskurve entlang jeder Führungsfläche 6 ausführen. Die Kontaktkraft, die zwischen den Führungsflächen 6 und den kugeligen Rol len 5 wirkt, induziert eine Axialkraft.

Die Richtung und Größe der von jeder kugeligen Rolle 5 erzeugten Axial kraft schwankt in Abhängigkeit von der Drehphase. Wie aus Fig. 7 her vorgeht, werden zwei der drei kugeligen Rollen 5 zur linken Seite des Außenrings 1 gezogen, während die dritte kugelige Rolle nach rechts ge zogen wird, so daß eine Druckkraft induziert wird.

Entsprechend Fig. 10 ändert sich die Summe der von den drei kugeligen Rollen 5 erzeugten Axialkräfte dreimal je Umdrehung des Gelenks perio disch von positiv nach negativ und umgekehrt. Die Amplitude ist so groß, daß verschiedene Probleme auftreten, insbesondere bei Fahrzeugen Vibra tionen entstehen. Weil ferner die Fläche, wo die kugelige Rolle 5 mit der Führungsfläche 6 in Kontakt kommt, die gleiche eine Krümmung hat, kann sich eine Kantenbelastung an der Führungsfläche 6 bei der Bewegung der kugeligen Rollen 5 auf den Drehzapfen 4 aufbauen. Steigerungen der indu zierten Axialkräfte aufgrund unausgeglichener Belastung und Schäden an den Schultern der Führungsflächen 6 verkürzen außerdem die Lebensdauer des Gelenks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein homokinetisches Universal gelenk mit Dreibein zu schaffen, das die oben geschilderten Mängel ver meidet und insbesondere die induzierten Axialkräfte herabsetzt und da durch die mit Vibrationen verbundenen Probleme beseitigt.

Erfindungsgemäß wird ein homokinetisches Universalgelenk geschaffen, bei dem die an beiden Seiten jeder Spurrille im Außenring vorgesehenen Rol lenführungsflächen mit der betreffenden kugeligen Rolle an zwei Punkten in Kontakt kommen können.

Bei dem homokinetischen Universalgelenk nach der Erfindung erfolgt die Kraftübertragung durch den Eingriff zwischen den Führungsflächen und den kugeligen Rollen wie bei einem konventionellen homokinetischen Uni versalgelenk. Die kugeligen Rollen wälzen sich entlang den Rollenführungs flächen ab, um ruckfrei einzutauchen.

Erfolgt eine Übertragung der Drehbewegung während die Achse des Außen rings mit der Achse des Dreibeins fluchtet (d.h., wenn der Arbeitswinkel 0° beträgt), wälzen sich die kugeligen Rollen unter Aufrechterhaltung ei nes Kontakts mit den Rollenführungsflächen an zwei Punkten ab, weil der Schnittpunkt der Achsen der Drehzapfen auf der Achse des Außenringes liegt.

Selbst wenn die Drehbewegung bei einem von Null verschiedenen Arbeits winkel übertragen wird, steht jede kugelige Rolle mit den Rollenführungs flächen ständig an zwei Punkten benachbart dem Zentrum der Rollenfüh rungsfläche in Kontakt, obwohl die Größe der Kontaktkraft sich in Ab hängigkeit von der Drehphase ändert. Dies gewährleistet ein stabiles Ar beiten des Gelenks.

Die Ergebnisse einer die interne Reibungskraft in Betracht ziehenden Ana lyse zeigen, daß die Intensität der induzierten Axialkraft bei dem homoki netischen Universalgelenk nach der Erfindung um etwa 20% unter derje nigen von konventionellen Universalgelenken liegt (Fig. 10).

Bei Laborversuchen wurde jedoch gefunden, daß die induzierten Axial kräfte 30 bis 40% niedriger als bei konventionellen Gelenken sind, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, daß jede Rollenführungsfläche eine solche Form hat, daß die kugelige Rolle an zwei Punkten mit ihr in Kon takt kommt, sowie zum Teil darauf, daß ein dadurch gebildeter Ölsumpf die Schmierung verbessert.

Das homokinetische Universalgelenk nach der Erfindung hat die folgen den Eigenschaften:

(a) Weil jede kugelige Rolle mit der Führungsfläche an zwei Punkten be nachbart dem Zentrum der Führungsfläche in Kontakt kommt, werden unsymmetrische Belastungen und das Drehmoment verringert, das auf die kugelige Rolle um eine zu der Achse des Drehzapfens senkrecht stehende Achse wirkt. Dies vermindert die Reibungskraft, welche Vib rationen verursacht.
(b) Weil die kugelige Rolle mit der Führungsfläche an zwei Punkten benach bart dem Zentrum der Führungsfläche in Kontakt kommt, läuft der Be reich der Kontaktbeanspruchung, zu der es an den Seitenkanten der kugeligen Rolle kommt, nicht über die Rollenführungsfläche.
(c) Weil im mittleren Bereich der Rollenführungsfläche ein Ölsumpf gebildet wird, wird Schmiermittel ständig zwischen der Rollenführungsfläche und der kugeligen Rolle zugeführt, wodurch nicht nur Reibkorrosion sondern auch anormale Reibung und Wärmeaufbau verhindert werden.
d) Für die Ausbildung der Rollenführungsflächen und des Ölsumpfes sind keine speziellen Bearbeitungen wie bei konventionellen Gelenken erfor derlich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines homokinetischen Universalge lenks nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt des Universalgelenks nach Fig. 1,

Fig. 3 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht des Universalgelenks,

Fig. 4 und 5 in größerem Maßstab Darstellungen entsprechend Fig. 3 für abgewandelte Ausführungsformen,

Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen, welche die Funktions weise des erfindungsgemäßen Universalgelenks er kennen lassen,

Fig. 8 einen Längsschnitt eines konventionellen homokine tischen Gelenks,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung, die das Abwälzen der kugeligen Rollen des Gelenks der Fig. 8 erken nen läßt, und

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Phasenwinkel und der induzierten Axialkraft an jedem Drehzapfen bei dem konventionellen Gelenk und bei dem Gelenk nach der vorliegenden Erfindung.

Entsprechend den Fig. 1 bis 4 ist ein Außenring 10 an seinem geschlossenen Ende mit einer ersten Welle 11 einstückig verbunden. Der Außenring weist drei axial verlaufende Spurrillen 12 auf, die an seiner Innenfläche in glei chen Winkelabständen von 120° angeordnet sind, wie dies bei konventionellen Universalgelenken der Fall ist. Jede Spurrille 12 hat an jeder Seite eine Rol lenführungsfläche 13 mit zwei Krümmungsmittelpunkten, die infolgedessen die Form eines gotischen Bogens hat, wobei im zentralen Teil ein axial verlaufen der Ölsumpf 14 gebildet wird. Die den Krümmungsmittelpunkten entsprechen den Krümmungsradien können voneinander verschieden oder einander gleich sein.

Ein in dem Außenring 10 montiertes Dreibein 15 steht mit einer Kerbverzah nung 17 am einen Ende einer zweiten Welle 16 in Eingriff. Das Dreibein ist zwischen einem abgestuften Teil 18 und einem Sicherungsring 19 gehalten, so daß es nicht von der Welle 16 herunterrutschen kann. Das Dreibein 15 ist mit drei radial verlaufenden Drehzapfen 20 ausgestattet. Auf jedem der Drehzapfen 20 ist eine kugelige Rolle 21 über eine Mehrzahl von Nadelrol len 8 drehbar gelagert.

Bei der in Fig. 3 veranschaulichten ersten Ausführungsform der Erfindung liegen die Kontaktpunkte P 1 und P 2 zwischen der kugeligen Rolle 21 und der Rollenführungsfläche 13 derart im zentralen Teil der Führungsfläche 13, daß R=10° bis 20° beträgt. (Der Kontaktwinkel R ist ein Winkel, der zwischen der Mittellinie der kugeligen Rolle und einer Linie gebildet wird, welche ei nen der Kontaktpunkte mit dem Mittelpunkt der sphärischen Rolle verbindet.) Dabei kommen die kugeligen Rollen nicht mit dem zentralen Teil und den Sei tenkanten jeder Führungsfläche 13 in Kontakt. Infolgedessen kommt es zu kei nem Kontakt zwischen den Seitenkanten der kugeligen Rollen 21 und der Rollenführungsfläche 13, und der Bereich der Kontaktbeanspruchung, der an den Seitenkanten auftritt, läuft nicht über die Rollenführungsfläche 13. In folgedessen ist nicht zu befürchten, daß eine unausgeglichene Belastung der kugeligen Rolle 21 zu einer Schräglage der Nadelrollen 8 und damit zu er höhtem Reibungswiderstand führt.

Weil ferner die Kontaktpunkte P 1 und P 2 an dem mittleren Teil der Führungs fläche 13 benachbarten Stellen liegen, wird das Drehmoment vermindert, das auf die kugelige Rolle 21 um ihre Achse X-X wirkt und das auf die Reibungs kraft in einer zu der Ebene der Fig. 3 senkrechten Richtung, verursacht durch die auf die Kontaktpunkte P 1 und P 2 einwirkende Last, zurückzufüh ren ist. Die Bewegung jedes Drehzapfens 20 in Richtung der Linie Y-Y mit Bezug auf die kugelige Rolle 21 (dadurch bedingt, daß die unausgewogenen Belastungen auf P 1 und P 2 einwirken) wird geglättet; induzierte Axialkräfte werden herabgesetzt. Das Verhältnis des Durchmessers der Rollenführungs fläche 13 zu dem der kugeligen Rolle 21 sollte vorzugsweise 1,10 bis 1,40 be tragen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Rollenführungsfläche 22 mit zwei Ebenen versehen ist. Ein Ölsumpf 23 wird zwischen der kugeligen Rolle 21 und dem dem Schnittpunkt der beiden Ebe nen benachbarten Bereich gebildet.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher jede auf der zylindrischen Führungsfläche 24 sich abwälzende Rolle 25 an beiden Endteilen 26 kugelig und im mittleren Teil 27 zylindrisch ist und mit der Füh rungsfläche 24 an zwei Punkten in Kontakt steht. Ein Ölsumpf 28 wird zwi schen der Führungsfläche 24 und der Rolle 25 gebildet.

Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der jede Rollen führungsfläche 29 mit zwei Ebenen versehen ist und die Kontaktpunkte P 1 und P 2 mit der kugeligen Rolle 21 unsymmetrisch mit Bezug auf die Mittel linie X-X der kugeligen Rolle 21 angeordnet sind.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Kontaktwinkel, die zwischen der Rollenführungsfläche und der kugeligen Rolle an zwei Punkten gebildet werden, einander gleich; bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 6 unterscheiden sich diese Kontaktwinkel voneinander.

Claims

1. Homokinetisches Universalgelenk mit einem Außenglied (10), das an seiner Innenfläche drei axial verlaufende, in gleichen Winkelabständen um seine Achse verteilte Spurrillen (12) aufweist, von denen jede an beiden Seiten mit einer Rollenführungsfläche (13, 22, 24, 29) versehen ist, die sich in Richtung der Achse des Außengliedes erstreckt; einem Dreibein (15), das drei radial vorstehende, in gleichen Winkelabständen um seine Achse ver teilte Drehzapfen (20) aufweist und das in dem Außenglied derart mon tiert ist, daß die Drehzapfen des Dreibeins in den betreffenden Spurril len des Außengliedes aufgenommen werden; und einer auf jedem Dreh zapfen drehbar gelagerten kugeligen Rolle (21, 25), deren Außenumfang von den Rollenführungsflächen geführt ist, dadurch ge kennzeichnet, daß jede der kugeligen Rollen (21, 25) mit der Rollenführungsfläche (13, 22, 24, 29) an zwei Punkten (P 1, P 2) in Kontakt steht.

2. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die zwischen der kugeligen Rolle (21) und der Rollenführungs fläche (29) an den beiden Punkten (P 1, P 2) gebildeten Kontaktwinkel (R1, R2) voneinander verschieden sind.

3. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die zwischen der kugeligen Rolle (21) und der Rollenführungs fläche (13) an den beiden Punkten (P 1, P 2) gebildeten Kontaktwinkel (R) einander gleich sind.

4. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß jede Rollenführungsfläche zwei Krümmungsmittelpunkte hat und die Krümmungsradien für diese Krümmungsmittelpunkte voneinander ver schieden sind.

5. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß jede Rollenführungsfläche zwei Krümmungsmittelpunkte hat und die Krümmungsradien für diese Krümmungsmittelpunkte einander gleich sind.