DE3721775A1 - Gleichlauffestgelenk - Google Patents
GleichlauffestgelenkInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Gleichlauffestgelenke nach den Merkmalen des
Oberbegriffes des Anspruchs 1.
Bei der Drehmomentübertragung eines
solchen Gelenkes, z. B. nach US-PS 20 46 584 Fig. 3, werden die
Übertragungsteile in der einen Richtung und der Käfig in der anderen
Richtung durch die Kugeln axial belastet, so daß sich die Übertragungsteile
am Käfig abstützen, das Innenteil auf der einen und das Außenteil auf der
anderen Seite der Kugelebene. Dabei wird die radiale Position des Innen-
zum Außenteil von zwei Systemen bestimmt: das Übertragungs- und das
Zentriersystem.
Bei der Drehmomentübertragung wird das Innenteil im Außenteil durch die
Radialkomponenten der Übertragungskräfte entlang der Kugelebene
kraftschlüssig zentriert. Die Position des Innen- zum Außenteil wird
somit von der Lagegenauigkeit der Kontaktpunkte des Außen- sowie des
Innenteils bestimmt.
Im gebeugten Zustand verschieben sich die Kugeln den Bahnen hin und her
entlang, so daß durch die Herstelltoleranzen der Bahnverläufe mit einer
periodischen Veränderung der Position des Innen- zum Außenteil zu
rechnen ist. Darüber hinaus ist die Belastung der jeweiligen Kugel während
ihrer Umkreisung sehr bedeutenden Schwankungen unterworfen, wodurch
eine entsprechende Verschiebung der Position des Innen- zum Außenteil
hervorgerufen wird. Solche im Prinzip nicht mitrotierenden Schwankungen
sind u. a. ein Produkt des Sekundärmomentes sowie der unterschiedlichen
örtlichen Nachgiebigkeiten der Übertragungsteile an den jeweiligen
Kontaktpunkten.
Das Zentriersystem ist durch die Zentrierflächen des Außenteiles, des
Käfigs und des Innenteils gegeben. Durch die Wirkung der Summe der
Axialkomponente der Übertragungskräfte wird das Innenteil zum Außenteil
über den Käfig ebenfalls kraftschlüssig zentriert. Die Position des Innen-
zum Außenteil wird hierbei von der Lagegenauigkeit der Zentrierflächen
bestimmt.
Die radiale Position des Innen- zum Außenteil wird demnach von zwei
überlagerten Zentriersystemen jeweils definiert und daher überbestimmt.
Infolgedessen nimmt das Innenteil eine dazwischenliegende Position ein,
wodurch eine radiale bzw. einseitige Verspannung zwischen dem
Übertragungs- und Zentriersystem zustande kommt. Die Zentrier- und
Übertragungsflächen werden mit zusätzlichen Zwangskräften beaufschlagt
und darüber hinaus exzentrisch belastet. Dabei wird die Kugelebene aus
ihrer winkelhalbierenden Ebene verdrängt. Die Qualität des Gelenkes in
Hinblick auf Drehmomentübertragung, Reibungsverluste, Lebensdauer und
Geräuschentwicklung vermindert sich entsprechend.
Axiale Asymmetrien, z. B. wenn die Bahnen des Außenteiles von der
Kugelebene her betrachtet nicht spiegelbildlich zu denen des Innenteiles
verlaufen, führen beim gebeugtem Gelenk ebenfalls zu einer solchen
Verdrängung der Kugelebene aus ihrer Soll-Lage und zu einer Verspannung
des Gelenkes. Die DE-OS 32 33 753 beschreibt Wege zur Reduzierung der
axialen Asymmetrien, welche durch Spiele der Zentrierflächen bzw. durch
das Eindringen der Kugeln in die Fensterflächen entstehen.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, die o. g. Verspannungen der
Übertragungs- und Zentriersysteme mit einfachen Mitteln weitgehend zu
beheben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruches 1 gelöst.
Hier liegt der Hauptgedanke der Erfindung zugrunde, daß eine radiale
Entkopplung eines der Übertragungsteile vom Käfig zu einer Entspannung
des Gelenkes führt. Es ist dabei vom Prinzip her unerheblich, ob das Innen-
oder das Außenteil radial entkoppelt wird. Deshalb kann grundsätzlich
irgendeine der Zentrierflächen einer Abstützscheibe zugeordnet werden.
Bei der Ausführung, in der sich das Innenteil beispielsweise auf einer
Abstützscheibe radialbeweglich bzw. -schwimmend abstützt, wird die
Axialkraft vom Innenteil über die Abstützscheibe zum Käfig geleitet. Ist
eine Überbestimmung zwischen den Zentriersystemen vorhanden, so
versetzt sich das Innenteil zur Abstützscheibe im Bereich des radialen
Spieles zwischen dem Innenteil und dem Käfig, um diese Überbestimmung
in radialer Richtung auszugleichen. Beim gestreckten Gelenk können alle
Exzentrizitäten der Übertragungs- und Zentrierflächen neutralisiert
werden.
Befindet sich das Gelenk in gebeugtem Zustand, so wird der Achsversatz
zwischen den Bahnen und der Außenfläche des Innenteiles direkt
ausgeglichen. Der Achsversatz zwischen den Bahnen und der Zentrierfläche
des Außenteiles wird indirekt kompensiert. Der Achsversatz zwischen den
Zentrierflächen des Käfigs wird weitgehendst kompensiert, wobei eine
geringfügige axiale Abweichung der Symmetrie der Kugelebene
hervorgerufen wird - die Kugeln bleiben aber in einer winkelhalbierenden
Ebene.
Die Wirkung der schwimmenden Anordnung der Abstützscheibe geht beim
gebeugten Gelenk weit über den Ausgleich der Radialfehler hinaus,
nämlich, daß eine Symmetrieabweichung der Kugelebene ebenfalls
weitgehend kompensiert wird. Die Kugelebene bleibt auch hier
winkelhalbierend. Die Lastkonzentrationen durch die Verspannung des
Gelenkes werden entscheidend abgebaut.
Die Leistung des Gelenkes wird dadurch erheblich gesteigert, u. U. bei
gleichzeitiger Entfeinerung der Fertigungstoleranzen bzw. bei Verringerung
der Herstellkosten. Auf das Schleifen verschiedener Flächen, was sonst im
allgemeinen bei Gelenken dieser Bauart üblich ist, kann beispielsweise
verzichtet werden.
Die Ausführung nach Anspruch 2 entspricht der zuvor geschilderten
Wirkungsweise, wobei die Abstützscheibe zwischen einer Planfläche des
Innenteils und dem Käfig vorgesehen ist.
Die Funktion der Variante gemäß Anspruch 3 ist sinn- und wirkungsgemäß
identisch.
Die Funktion der Variante gemäß Anspruch 4 oder 5 sorgen für eine
vektorielle Kompensation der Exzentrizitäten in Richtung der Kugelebene.
In erfindungsgemäßer Weiterbildung ist eine Kombination verschiedener
Varianten grundsätzlich ebenfalls möglich.
Damit die Zentrierfläche der Abstützscheibe mit der korrespondierenden
Zentrierfläche, auch bei größeren Versatzwerten, ihre Zentrierfunktion
stets eindeutig bzw. ohne Mitwirkung der mit der Abstützscheibe in
Berührung stehenden Teile ausüben können, ist ein entsprechend großes
Radialspiel bzw. eine Trennfuge zwischen diesen Teilen vorzusehen
(Anspruch 3).
In Weiterbildung der Erfindung kann die Mindestbreite der Trennfuge in
etwa dem maximal zu erwartenden radialen Versatz zwischen den der
Trennfuge bildenden Teilen entsprechend ausgeführt werden (Anspruch 7).
Hierbei sind die statistischen Gegebenheiten einer Anwendung in Bezug auf
Herstelltoleranzen, Drehmomente, Beugewinkel und Elastizitäten,
insbesondere der Außenteile, sinnvollerweise zu berücksichtigen. Eine zu
große Trennfuge erweitert zwar die Auslegungsfreiheit des Gelenkes in
Hinblick auf den Zusammenbau, z. B. bei der Einfädelung des Innenteiles im
Käfig bzw. Einführung des Käfigs im Außenteil, beansprucht aber radialen
Raum, der beispielsweise zur Verbesserung der Bahntiefe ausgenutzt
werden kann. Eine knapp bemessene Trennfuge kann dazu führen, daß der
radiale Ausgleich bei der Summierung von extremen Bedingungen nicht
ganz zur Verfügung steht, so daß eine Restverspannung vorkommen kann,
wobei sich beispielsweise die Außenfläche des Innenteils auf die
Innenfläche des Käfigs geringfügig abstützt.
Die Merkmale des Anspruches 8 sind dort anzuwenden, wo der Raum der
Kugelbewegung entlang den Bahnen des Innen- oder Außenteils im Bereich
der Abstützscheibe hineingreift, beispielsweise bei einem großen
Beugewinkel oder beim Zusammenbau des Gelenkes, um der Bewegung der
Kugeln nicht im Wege zu stehen. Daher ist das Verdrehen der
Abstützscheibe zum Innen- bzw. zum Außenteil zu begrenzen, jedoch ohne
Behinderung ihrer radialen Beweglichkeit.
Eine Flächenberührung der Abstützscheibe mit der jeweiligen
Zentrierfläche führt zu einer Optimierung der Flächenpressung. Eine
Schmiegung in einer Längsebene führt zu rotationssymmetrischen
Zentrierflächen. Eine Schmiegung in einer Querebene führt zu einer quasi
mehrfachen Linienberührung in Radialebenen mit einer längeren axialen
Überdeckung. Eine allseitige Schmiegung ist aus der Sicht der Schmierung
und der Genauigkeitsanforderung vorteilhafter (Anspruch 9).
Die relative Bewegung der Abstützscheibe auf ihrer korrespondierenden
Planfläche ist an sich gering, dennoch ist die Herabsetzung der Reibkräfte
und insbesondere der Bohrreibung zugunsten einer freieren Beweglichkeit
und Zentrierung der Teile vorteilhaft (Anspruch 10). Die Abstützscheibe
kann z. B. mit Phosphat oder mit Kunststoff beschichtet bzw. imprägniert
werden. Die Reibleistung an der Zentrierfläche wird durch die
Oberflächenbehandlung, d. h. ohne Mehraufwand zusätzlich reduziert.
Außerdem kann dadurch Bohrreibungsrost an ihrer Planfläche leicht
verhindert oder reduziert werden.
Die Abstützscheiben werden überwiegend mit Druckspannung beaufschlagt,
so daß in Fortsetzung der Erfindungsgedanken ihre Herstellung, z. B. aus
faserverstärktem Kunststoff in der Formgebung zweckmäßig und vor allem
kostengünstig erscheint (Anspruch 11).
Die Abstützscheibe wird von einer korrespondierenden Zentrierfläche
radialschwimmend bzw. völlig unabhängig von dem an ihrer Planfläche
angrenzenden Bauteil geführt. Eine zuverlässige bzw. am Kreis allseitig
wirkende Führung bis zum maximalen Beugewinkel des Gelenkes ist hier
deshalb besonders vorteilhaft und wird durch die an sich bekannten
Merkmale des Anspruchs 12 erreicht.
Durch den Verschleiß der Zentrier- und Planflächen sowie durch das
Eindringen der Kugeln in die Fensterflächen verschiebt sich das Außenteil,
das Innenteil und der Käfig zu der Kugelebene in der einen Richtung,
wodurch sich eine Symmetrieabweichung der Kugelebene zu den Bahnen des
Außen- bzw. Innenteils ergibt. Die Maßnahmen des Anspruches 13 sorgen
dafür, die Symmetrieabweichung der Kugelebene über die Gebrauchsdauer
des Gelenkes hinweg zu minimieren. Der Abstand des Mittelpunktes der
Bahnen des Innenteils zu der Kugelebene beim neuen Gelenk ist dann kleiner
als der des Außenteils, bei der Hälfte der Lebensdauer gleich und am Ende
der Lebensdauer größer. Die Möglichkeit des Ausgleiches der
Fertigungstoleranzen der verschiedenen axialen funktionellen Kettenmaße
der Gelenkteile ist in einfacher Weise durch die Auswahl der Breite der
Abstützscheibe gegeben. Da die Abstützscheibe ohnehin ein selbständiges
und auch relativ kostengünstiges Bauteil des Gelenkes ist, ist ihre
Herstellung in verschiedenen Breitenklassen durchaus erschwinglich, so
daß durch den Einbau einer Abstützscheibe geeigneter Breite
Fertigungstoleranzen oder Verschleiß ausgeglichen werden können.
Durch die Einfügung einer schwimmenden Distanzscheibe (Anspruch 14),
stehen mindestens zwei Planflächenpaare zur Verfügung, so daß eine
weitere Optimierung der Gleitpaarung ermöglicht wird, zumal die
Distanzscheibe aus einem reibungsgünstigen Material hergestellt werden
kann. Ferner können die Distanzscheiben mit unterschiedlichen
Wandstärken vorgesehen werden, so daß beim Zusammenbau des Gelenkes
und nach Erfassung der axialen Ist-Maße des Außenteils, des Käfigs, des
Innenteils und der Abstützscheibe, die dazu passenden Distanzscheiben
eingefügt werden können, um eine vorgegebene Lage der Kugelebene zu den
Bahnen des Außen- bzw. des Innenteils genau herzustellen.
Bahnen mit einem Mittelpunkt auf der Drehachse des jeweiligen
Übertragungsteiles werden als kreisförmig bezeichnet. Eine besonders
eindrucksvolle Fortsetzung der Erfindungsgedanken besteht darin, daß die
Bahnen des jeweiligen Übertragungsteiles nicht kreisförmig verlaufen
(Anspruch 15). Extreme Ausführungen solcher Bahnen sind in der US-PS 20
46 584 Fig. 5 gezeigt. Liegen die Bahnen in Meridianebenen und bestehen
beispielsweise jeweils aus einer kreisförmigen und einer gerade Strecke,
so kann beim gebeugten Gelenk die Situation vorkommen, daß sich einige
Kugeln auf den kreisförmigen und die gegenüberliegenden auf den geraden
Strecken befinden. Die Neigung der kreisförmigen Bahnen zu der Kugelebene
ist in der Regel viel kleiner, als die der geraden Bahnen, wodurch die
Aufteilung der Übertragungskräfte der Kugeln in radiale und axiale
Komponente sehr unterschiedlich wird. Der Achsversatz des Innen- zum
Außenteil wird daher, von den geometrischen Genauigkeiten ebenfalls
unabhängig, zusätzlich beeinflußt.
Bei Gelenkausführungen nach dem Stand der Technik führen die
unterschiedlichen Neigungen der gegenüberliegenden Bahnen zu der
Kugelebene leicht dazu, daß eine oder mehrere Kugeln den Kontakt mit
ihren Bahnen verlieren, wodurch insgesamt eine kräftige Herabsetzung der
Qualität der Steuerung und Übertragung des Gelenkes hervorgerufen wird -
im Vergleich zu Gelenken mit kreisförmigen Bahnen. Bei einer
Gelenkausführung nach der vorliegenden Erfindung werden die genannten
zusätzlichen Nachteile erheblich kompensiert.
Die Bahnen der Übertragungsteile können somit beliebig gerade oder
kurvenförmig ausgeführt werden, z. B. unter Berücksichtigung der
Herstellverfahren hinterschnittfrei (Anspruch 16). In Verbindung mit einer
Ausführung nach Anspruch 1 oder 15, wobei die Abstützscheibe zum
Außenteil radialbeweglich angeordnet ist, kann die Innenfläche des
Außenteils auch beliebig ausgeführt werden, ebenfalls unter
Berücksichtigung der Herstellverfahren hinterschnittfrei (Anspruch 17).
Nachfolgend sind prinzipmäßig anhand der schematischen Zeichnungen
verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, aus denen
sich weitere erfinderische Merkmale ergeben.
Es zeigt
Fig. 1 Halblängsschnitt eines Gelenkes nach der Erfindung in
gestreckter Lage, wobei eine Abstützscheibe zwischen dem
Käfig und einer Planfläche des Innenteiles vorgesehen ist,
Fig. 1a Skizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Gelenkes von
Fig. 1 zur Kompensierung der Exzentriztitäten der Zentrier- und
Übertragungsflächen,
Fig. 1b Skizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Gelenkes von
Fig. 1 in gebeugtem Zustand zur Kompensierung der
Exzentrizitäten der Zentrier- und Übertragungsflächen,
Fig. 1c Skizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Gelenkes von
Fig. 1 in gebeugtem Zustand zur Kompensierung von
Symmetrieabweichungen der Kugelebene,
Fig. 1d Skizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Gelenkes von
Fig. 1 in gebeugtem Zustand zur Kompensierung von
Exzentrizitäten der Käfigzentrierflächen,
Fig. 2 Längsschnitt eines Gelenkes nach der Erfindung in gebeugter
Lage, wobei eine Abstützscheibe zwischen dem Käfig und einer
am Außenteil angebrachten Planfläche vorgesehen ist,
Fig. 2a Skizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Gelenkes von
Fig. 2 zur Kompensierung der Exzentrizitäten der Zentrier- und
Übertragungsflächen,
Fig. 3 Halblängsschnitt eines Gelenkes nach der Erfindung in
gestreckter Lage, wobei eine Abstützscheibe zwischen dem
Außenteil und einer Planfläche am Käfig vorgesehen ist,
Fig. 3a Skizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Gelenkes von
Fig. 3 zur Kompensierung der Exzentrizitäten der Zentrier- und
Übertragungsflächen,
Fig. 4 Halblängsschnitt eines Gelenkes nach der Erfindung in
gestreckter Lage, wobei eine Abstützscheibe zwischen dem
Innenteil und einer am Käfig angebrachten Planfläche
vorgesehen ist,
Fig. 5 Ansicht einer Abstützscheibe für ein Gelenk ähnlich Fig. 1,
Fig. 6 Halbschnitt einer Abstützscheibe für ein Gelenk ähnlich Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein Gleichlauffestgelenk mit zwei Übertragungsteilen
bestehend aus einem Außenteil 12, einem Innenteil 56, einem Käfig 34,
einer Anzahl von Kugeln 70 und einer Abstützscheibe 50. Der Käfig 34 wird
mit seiner Zentrierfläche 3′ in der Zentrierfläche 2′ des Außenteiles 12
schwenkbar zentriert. Die Abstützscheibe 50 wird mit ihrer Zentrierfläche
5′ in der Zentrierfläche 4′ des Käfigs 34 schwenkbar zentriert und steht
ferner mit ihrer Planfläche 500 mit der Planfläche 560 des Innenteiles
56 in Berührung. Die Fenster 340 des Käfigs 34 halten die Mittelpunkte 7
der Kugeln 70 in einer winkelhalbierenden Kugelebene 8, welche die
Drehachse des Gelenkes G-G im Gelenkmittelpunkt 0 kreuzt. Die
Mittelpunkte 2, 3, 4 und 5 der Zentrierflächen 2′, 3′, 4′ und 5′ sind mit dem
Gelenkmittelpunkt 0 identisch dargestellt. Zwecks Drehmomentübertragung
greifen die Kugeln 70 in die Bahnen 1′ und 6′ des Innen- bzw. des
Außenteiles ein. Die sog. kreisförmigen Bahnen 1′ und 6′ sind an sich
jeweils torusförmig mit einem elliptischen Querschnitt angenommen,
wobei die Mittelpunkte 1 bzw. 6 ihrer kreisförmigen in Meridianebenen
befindlichen Bahnachsen 10 bzw. 60 auf der Drehachse G-G des Gelenkes
liegen und weisen gleiche Abstände zur Kugelebene 8 auf. Die
Kontaktpunkte 100 bzw. 600 der Kugeln 70 mit den Bahnen 1′ bzw. 6′ liegen
auf den Belastungsebenen 1-7 bzw. 6-7 und befinden sich auf der linken
Seite der Kugelebene 8.
Durch die Neigung der Bahnen 1′ und 6′ zu der Kugelebene 8 bzw. durch die
Lage der Kontaktpunkte 100 und 600 zerlegt sich die Übertragungskraft
zwischen der jeweiligen Kugel 70 und Bahnen 1′ bzw. 6′ in einer Umfangs-
sowie in einer Radial- und einer Axialkraftkomponente. Die Summe der
Axialkraftkomponenten bzw. Axialkräfte drückt die Übertragungsteile 12
und 56 nach links und den Käfig 34 nach rechts. Dabei zentriert sich der
Käfig 34 im Außenteil 12 über die Zentrierflächen 2′ und 3′; das Innenteil
56 überträgt die Axialkraftkomponente weiter auf die Abstützscheibe 50,
welche sich im Käfig 34 über die Zentrierflächen 5′ und 4′ abstützt.
Die radiale Position der Abstützscheibe 50 zum Außenteil 12 ist von den
Exzentrizitäten der Zentrierfläche 2′ zum Außenteil 12 und der
Zentrierfläche 3′ zu der Zentrierfläche 4′ des Käfigs 34 abhängig und wird
somit von der Höhe und Richtung dieser Exzentrizitäten bestimmt.
Durch die Radialkomponente der Übertragungskräfte wird das Innen- 56
zum Außenteil 12 entlang der Kugelebene 8 im Sinne eines Spannsystems
kraftschlüssig zentriert. Die Position des Innen- zum Außenteil ist somit
hauptsächlich von den Teilungs- und Konzentrizitätsfehlern der jeweiligen
Bahnen 1′ bzw. 6′ zueinander und zu dem jeweiligen Übertragungsteil 12
bzw. 56 sowie von der Ebenheit der Fensterflächen 71 abhängig.
Nach dieser Ausführung der Erfindung sind das Innenteil 56 und die
Abstützscheibe 50 zueinander radialbeweglich angeordnet, so daß sowohl
das Innenteil 56 als auch die Abstützscheibe 50 voneinander unabhängig,
die durch die jeweiligen Exzentrizitäten vorbestimmten Positionen
einnehmen können, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, mit Ausnahme
der zwischen ihren Planflächen 500 und 560 etwa befindlichen Reibkräften.
Dadurch werden die Übertragungskräfte der einzelnen Kugeln 70 bei den
gegebenen Teilungs- und Konzentrizitätsfehler der jeweiligen Bahnen 1′
bzw. 6′ zueinander sowie etwaige Planabweichungen der Kugelebene 8
ausgleichend optimiert. Tritt ein Verschleiß, z. B. an höher belasteten oder
an weicheren Bahnen oder Fensterflächen auf, so stellt sich die Position
des Innenteiles 56 dementsprechend ein - ebenfalls kräfteausgleichend
bzw. kraftschlüssig.
Dadurch wird die Übertragungsfähigkeit des Gelenkes von der Höhe der
radialen Ungenauigkeiten der verschiedenen Funktionsflächen des Gelenkes
unabhängig optimiert. Das bedeutet, daß Achsversatzwerte zwischen den
Bahnen 1′ und der Zentrierfläche 2′ des Außenteiles 12 sowie zwischen den
Zentrierflächen 3′ und 4′ des Käfigs 34 als auch zwischen der Außenfläche
561 und den Bahnen 6′ des Innenteiles 56 durch die allseitige radiale
Beweglichkeit der Abstützscheibe 50 zum Innenteil 56 beim gestreckten
Gelenk völlig neutralisiert werden.
Die Breite der Abstützscheibe 50 kann die Entfernung des Mittelpunktes 5
der Zentrierfläche 5′ zu dem Mittelpunkt 6 der Bahnen 6′ bestimmen. Wird
die Breite der Abstützscheibe 50, beispielsweise durch Klassifizierung
oder durch Distanzscheiben 50 a (in Fig. 6 gestrichelt dargestellt) beim
Zusammenbau des Gelenkes und nach Erfassung der axialen Ist-Maße der
Funktionsflächen festgelegt, so kann eine gewünschte relative Lage der
Kugelebene 8 zu den Mittelpunkten 1 bzw. 6 hergestellt werden, z. B. daß die
Kugelebene 8 den Abstand 1-6 idealerweise halbiert. Diese Symmetrie wird
jedoch vor allem durch den Verschleiß der Zentrierflächen 2′/3′, der
Zentrier- und Planflächen 5′/4′ und 560/500 sowie durch die plastischen
Verformungen der Fensterflächen 71 durch die Kugeln 70 gestört, wobei
das Außenteil 12, das Innenteil 56 sowie der Käfig 34 weiterhin von der
Kugelebene 8 nach links wandern. Verschiebt sich das Außenteil 12, das
Innenteil 56 und der Käfig 34 dadurch, bei der Hälfte der Lebensdauer
jeweils zum Beispiel um die Durchschnittswerte X mm, Y mm sowie Z mm,
so verkleinert sich der Abstand des Mittelpunktes 1 zur Kugelebene 8 um
(X + Z) mm, wobei der Abstand des Mittelpunktes 6 zur Kugelebene 8 sich um
(Y + Z) mm vergrößert. Um die Symmetrie-Abweichung der Kugelebene 8 über
die gesamte Lebensdauer zu minimieren, können diese Versatzwerte bei
neuen Gelenken kompensiert werden. Zunächst wäre die Kugelebene 8,
bedingt durch die Bestimmung der axialen Lage der Fensterflächen 71, um
den Betrag Z mm links vom Mittelpunkt 3/4 der Zentrierflächen 3′ und 4′ zu
versetzen, so daß bei der Halbzeit die Übereinstimmung der Kugelebene mit
den Mittelpunkten 3/4 bzw. 0 erreicht wird. Ferner wäre die Breite der
Abstützscheibe 50 so festzulegen, daß der Abstand 6-5 um (X + Z) mm
kleiner als der Abstand 1-2 ist, so daß bei der Halbzeit der Lebensdauer
die Abstände 0-6 bzw. 0-1, wie in Fig. 1 dargestellt, gleich werden.
Man kann aber auch nach einer gewissen Laufzeit durch die Breite einer
neuen Abstützfläche 20 oder durch entsprechende Distanzscheiben 50 a (s.
Fig. 6) die Mittigkeit der Kugelebene 8 wieder herstellen bzw. optimieren.
Die Abstützscheibe 50 ist mit Ausnehmungen 501 versehen, welche den
Bahnen 6′ etwa gegenüberstehen, um die Kugeln 70 bei großen
Beugewinkeln, insbesondere beim Zusammenbau des Gelenkes nicht zu
behindern. Um ein Verdrehen der Abstützscheibe 50, das durch
Erschütterungen bei Wechsellasten durch das Verdrehen des Käfigs oder
durch einseitige Reibmomente vorkommen kann, ist eine Verzahnung 502
vorgesehen. Die verzahnte Bohrung 562 des Innenteiles 56 ist für den
Anschluß an einer verzahnten Welle (nicht gezeigt) dargestellt. Die
Verlängerung dieser verzahnten Welle greift in die Verzahnung 502 ein,
jedoch mit ausreichendem Radialspiel, um die radiale Beweglichkeit der
Abstützscheibe 50 zum Innenteil 56 wirken zu lassen. Die Breite der
Trennfuge 9 zwischen der Außenfläche 561 und der Zentrierfläche 4′ ist
hier für grobe Toleranzen so bemessen, daß diese Flächen sich beim
maximalen radialen Versatz des Innenteiles 56 zu der Abstützscheibe 50
nicht zu berühren brauchen. Diese Breite kann aber auch bei einer genaueren
Herstellung oder geringerer Beanspruchung des Gelenkes normalen
Spielverhältnissen, z. B. ein Tausendstel des Durchmessers entsprechen.
Bei einem Gelenk nach dem Stand der Technik wird das Innenteil mit seiner
Außenfläche, welche als Zentrierfläche dient, unmittelbar in der inneren
Zentrierfläche des Käfigs um den Gelenkmittelpunkt schwenkbar zentriert.
In Anlehnung an die Kinematik der Ausführung von Fig. 1, so wird demnach
beim Stand der Technik die Abstützscheibe 50 mit dem Innenteil 56 quasi
einteilig ausgeführt, zumindest zum Innenteil radial unverschiebbar
gehalten. Dadurch wird die radiale Position des Innen- zum Außenteil von
den zwei übergelagerten Zentriersystemen überbestimmt, so daß beide
Systeme gegeneinander wirkenden Zwangskräften und Lastkonzentrationen
unterworfen sind.
In Fig. 1a wird das Gelenk nach Fig. 1 in gestreckter Lage mit einem Gelenk
nach dem Stand der Technik bezüglich der Wirkung der Exzentrizitäten
verglichen. Die gemeinsame Drehachse 22/33 der Zentrierflächen 2′ und 3′
ist um den angenommenen Betrag Vk von der gemeinsamen Drehachse 44/55
der Zentrierflächen 4′ und 5′ versetzt dargestellt. Vk entspricht somit dem
Achsversatz der Zentrierflächen 3′ und 4′ zueinander. Die Mittelpunkte 1
und 6 sind jeweils mit einem angenommenen radialen Achsversatz Va und
Vj zu der Drehachse 22 und 55 festgelegt und befinden sich jeweils in
einer radialen Ebene A und J. Die Mittelpunkte 1 und 6 sind ferner gleich
entfernt von der winkelhalbierenden Ebene 8 h, so daß eine axiale
Asymmetrie nicht gegeben ist. Die Zeichnungsebene entspricht einer
Meridianebene. In den senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden
Meridianebenen 11 und 66 können sich Bahnachsen von weiteren Bahnen
befinden, z. B. bei einem 8-Kugel Gelenk oder durch die Rotation.
Für eine zwangsfreie Übertragung eines Drehmomentes müßten sich die
Bahnachsen aller korrespondierenden Bahnen auf einer Ebene, vorzugsweise
auf der winkelhalbierenden Ebene 8 h kreuzen. Durch den dargestellten
Versatz der Mittelpunkte 1 und 6 kreuzen sich die in der Zeichnungsebene
befindlichen Bahnachsen 10 und 60 zunächst jeweils in 7 f und bilden eine
schiefe Ebene 8 f, dorthin wo sich die dazugehörigen Kugelmittelpunkte 7
bzw. die Kugelebene 8 begeben müßten. Die 90° versetzten, in den
Meridianebenen 11 bzw. 66 befindlichen Bahnachsen kreuzen sich
offensichtlich nicht. Wird das Gelenk mit Drehmoment belastet, so nähern
sich die Meridianebenen 11 und 66 und zwingen die Drehachsen 22 und 33
sowie 44 und 55 auseinander, mit der Folge, daß die Radialspiele zwischen
den Zentrierflächen 2′ und 3′ sowie zwischen 4′ und 5′ oberhalb der
Drehachse GG (s. Fig. 1) zumindest teilweise - von der Höhe der
Exzentrizitäten und Spiele abhängig - aufgebraucht werden. Die
Normalkräfte erhöhen sich entsprechend. Die Bahnen 1′ und 6′, die
Fensterflächen 71 sowie die Zentrierflächen 2′, 3′, 4′ und 5′ werden somit
radial einseitig überlastet.
Durch die Möglichkeit der radialen Verschiebung zwischen dem Innenteil 56
und der Abstützscheibe 50 bzw. zwischen den Bahnen 6′ und der
Zentrierfläche 5′ kann sich der Mittelpunkt 6 in der radialen Ebene J
bewegen (zweidimensional) und begibt sich durch die Wirkung der
Radialkräfte in 6 g. Infolgedessen verschiebt sich die Meridianebene 66 in
66 g, dabei werden die Versatzwerte Vj + Vk + Va ausgeglichen bzw.
kompensiert. Die neuen Bahnachsen 60 g kreuzen sich mit den Bahnachsen
10 des Außenteils jeweils in 7 g. Die Kugelebene 8 ist mit der
winkelhalbierenden Ebene 8 h identisch.
In Fig. 1b wird das Gelenk nach Fig. 1 mit einem Gelenk nach dem Stand der
Technik, jedoch in gebeugtem Zustand ebenfalls verglichen. Die Drehachse
55 der Zentrierfläche 5′ der Abstützscheibe 50 wird um die Hälfte des
Beugewinkels B/ 2 im Uhrzeigersinn gebeugt, die Drehachse 22 der
Zentrierfläche 2′ des Außenteiles 12 auch um B/2 in der Gegenrichtung. Es
wird angenommen, zunächst zur Vereinfachung der Darstellung, daß die
Zentrierflächen 3′ und 4′ des Käfigs 34 konzentrisch verlaufen. Somit
wären die Drehachsen 33 und 44 der Zentrierflächen 3′ und 4′ identisch. Die
Drehachsen 22 und 55 der Zentrierflächen 2′ und 5′ kreuzen sich mit der
gemeinsamen Drehachse 33/44 bei 0 auf der winkelhalbierenden Ebene 8 h.
Der Mittelpunkt 1 und die Meridianebene 11 werden mit einem
angenommenen Achsversatz Va zu der Drehachse 22 dargestellt, der
Mittelpunkt 1 liegt auf der radialen Ebene A. Der Mittelpunkt 6 und die
Meridianebene 66 werden mit einem angenommenen Achsversatz Vj zu der
Drehachse 55 festgelegt, der Mittelpunkt 6 liegt auf der radialen Ebene J.
Eine axiale Asymmetrie der Ebenen A und J ist nicht vorhanden. Die
winkelhalbierende Ebene 8 h ist zu den Ebenen A und J auch
winkelhalbierend.
Ist eine radiale Verschiebung zwischen dem Mittelpunkt 6 der Bahnachsen
60 und der Drehachse 55 der Zentrierfläche 5′ nicht gegeben, so entsteht
eine Überbestimmung im Gelenk. Die durch die versetzten Mittelpunkte 1
und 6 gezeichneten Bahnachsen 10 und 60 kreuzen sich jeweils in 7 f und
bilden eine schiefe Ebene 8 f. Die Meridianebenen 11 und 66 kreuzen sich in
7 m, dorthin wo sich die in diesen Meridianebenen 11 und 66 befindlichen
Kugelmittelpunkte begeben sollten. Die Lage des Kreuzungspunktes 7 m liegt
sogar außerhalb der schiefen Ebene 8 f, so daß eine mehrfache Verzerrung
der Kugelebene 8 und die Überlastung des Gelenkes zustande kommt.
Durch die Möglichkeit der radialen Verschiebung zwischen dem Innenteil
560 und der Zentrierfläche 5′ kann sich der Mittelpunkt 6 in der radialen
Ebene J verschieben (zweidimensional) und begibt sich durch die Wirkung
der Radialkräfte in 6 g, wobei - dank des Spiegelbildes der Ebene A zu J -
sich die Mittelpunkte 1 und 6 g auch gleich entfernt von der
winkelhalbierenden Ebene 8 h befinden. Der Versatz Vj wird direkt in der
Ebene J ausgeglichen, der Versatz Va spiegelbildlich kompensiert. Die
Bahnachsen 10 und 60 g kreuzen sich jeweils nunmehr in 7 g, so daß die
Kugelebene 8 mit der homokinetischen bzw. winkelhalbierenden Ebene 8 h
identisch ist. Der versetzte Kreuzungspunkt 7 n der Meridianebenen 11 und
66 g liegt nunmehr auch auf der winkelhalbierenden Ebene 8.
Es ist von geringer Bedeutung, ob die Planfläche 560 des Innenteiles 56
sehr genau radial ausgeführt ist. Ein Planschlag führt zwar dazu, daß die
Ebene J hin und her taumelt, mit der Folge, daß sich der Abstand des
Mittelpunktes 6 g zu der Kugelebene 8 verändert. Dies kann aber durch die
Anordnung der Abstützscheibe 50 weitgehend korrigiert werden, wie
nachstehend dargestellt.
In Fortsetzung der Fig. 1b dient die Fig. 1c dazu, die korrigierende Wirkung
der Abstützscheibe auf axiale Symmetrieabweichungen der Kugelebene 8
eines Gelenk nach Fig. 1 in gebeugtem Zustand zu erläutern. Zum besseren
Verständnis werden radiale Exzentrizitätsfehler außer acht gelassen - die
Meridianebenen 11 und 66 sind mit den Drehachsen 22 und 55 der
Zentrierflächen 2′ und 5′ jeweils identisch. Die Drehachsen 22 und 55
kreuzen sich mit der gemeinsamen Drehachse 33/44 der Zentrierfläche 3′
und 4′ in 0. Der Abstand der Mittelpunkte 1 vom Gelenkmittelpunkt 0 ist
kleiner als der des Mittelpunktes 6.
Bei einem Gelenk nach dem Stand der Technik kreuzen sich die gezeichneten
Bahnachsen 10 und 60 jeweils in 7 f, wodurch sich eine schiefe Ebene 8 f
bildet. Eine Verkrampfung des Gelenkes wird dadurch hervorgerufen,
ähnlich wie bei Radialfehlern. Bei dem Gelenk nach der vorliegenden
Erfindung kann sich der Mittelpunkt 6 auf der Ebene J zweidimensional
bewegen (hier zur Erläuterung nur in der Zeichnungsebene) und nimmt die
Position 6 g ein, um einer Zwangslage auszuweichen, wobei sich die
Mittelpunkte 6 g und 1 auf gleicher Höhe befinden. Die Bahnachsen 10 und
60 g kreuzen sich jeweils in 7 g, wodurch sich eine axial versetzte aber
radial verlaufende und somit winkelhalbierende Ebene 8 g bildet. Die
verschobene Meridianebene 66 g kreuzt sich mit der Meridianebene 11 in 7 n,
allerdings auf der Ebene 8 g. Die Ebene 8 g liegt im vorliegenden Fall auf der
linken Seite der winkelhalbierenden Ebene 8 h, so daß die jeweiligen
Kugelmittelpunkte 7 e der Kugeln 70 auf der winkelhalbierenden Ebene 8 h
einen gleichen Abstand zur Ebene 8 g aufweisen und mit einem Drehspiel zu
den korrespondierenden Bahnen 1′ und 6′ behaftet werden. Durch ein
geringfügiges Drehmoment des Innen- 56 zum Außenteil 12 kommen alle
Kugeln 70 zum Tragen.
In weiterer Fortsetzung der Fig. 1b dient die Fig. 1d dazu, den zusätzlichen
Einfluß einer (radialen) Exzentrizität der Zentrierflächen 3′ und 4′ des
Käfigs 34 separat zu durchleuchten, auch wenn diese in der Praxis in engen
Grenzen kostengünstig einhaltbar ist. Die Drehachsen 33 und 44 sind mit
einem Achsversatz Vk dargestellt. Die Drehachsen 22 und 33 kreuzen sich
auf der winkelhalbierenden Ebene 8 h in 2/3, die Drehachsen 44 und 55 in
4/5. Die Abstände 1-2/3 und 6-4/5 sind gleich. Die Meridianebene 11 und
66 sind jeweils mit den Drehachsen 22 und 55 identisch.
Bei einem Gelenk nach dem Stand der Technik kreuzen sich die gezeichneten
Bahnachsen 10 und 60 jeweils in 7 f, wobei sich die schiefe Ebene 8 f bildet,
wodurch die Überbestimmung der Zentrier- und Übertragungssysteme
herausgefordert wird, zumal sich die Kreuzungspunkte 7 m der in den
Meridianebenen 11 bzw. 66 befindlichen Bahnachsen außerhalb der schiefen
Ebene 8 f befindet. Bei dem Gelenk nach der vorliegenden Erfindung kann
sich die Meridianebene 66 mit dem Mittelpunkt 6 entlang der Ebene J
bewegen und die Positionen 66 g und 6 g einnehmen, wobei die Mittelpunkte
6 g und 1 auf gleicher Höhe stehen, jedoch mit einer Abstandsdifferenz zu
der winkelhalbierenden Ebene 8 h von F = Vk × tan B/2. Die von den Mittel
punkten 1 und 6 g gezeichneten Bahnachsen 10 und 60 g kreuzen sich jeweils
in 7 g, wodurch sich eine radial verlaufende und somit winkelhalbierende
Ebene 8 g bildet. Auch hier liegen die Kreuzungspunkte 7 n der in den
Meridianebenen 11 und 66 g befindlichen Bahnachsen auf der Ebene 8 g. Die
Ebene 8 g liegt allerdings im vorliegenden Fall um einen Betrag von F/2
rechts der Kugelebene 8, so daß die Kugeln 70 mit ihren Kugelmittel
punkten 7 e in den Bahnen 1′ und 6′ jeweils mit einer Vorspannung behaftet
werden. Durch ein geringfügiges Drehspiel zwischen den Bahnen 1′ und 6′
und den Kugeln 70 kann diese Vorspannung vermieden werden. Bei einem
geringfügigen Drehmoment wird diese Vorspannung ohnehin aufgehoben.
Das in der Fig. 2 gezeigte Gleichlauffestgelenk weist im Vergleich mit dem
von Fig. 1 folgende unterschiedliche bzw. anders gelagerte Merkmale auf.
Hier wird das Innenteil 56 mit seiner Zentrierfläche 5′ in der
Zentrierfläche 4′ des Käfigs 34 um den Gelenkmittelpunkt 0 unmittelbar
schwenkbar zentriert. Der Käfig 34 wird mit seiner Zentrierfläche 3′ in der
Zentrierfläche 2′ der Abstützscheibe 20 um den Gelenkmittelpunkt 0
schwenkbar geführt, wobei die Abstützscheibe 20 mit ihrer Planfläche 200
mit der Planfläche 120 des am Außenteil 12 angebrachten Halterings 121
in Berührung steht und zu diesem radialschwimmend angeordnet ist. Der
Haltering 121 ist am Außenteil 12 fixiert. Für die freie Beweglichkeit der
Kugeln 70 ihren Bahnen 1′ entlang sind Ausnehmungen 201 in der
Abstützscheibe 20 und 1211 im Haltering 121 vorgesehen. Die
Abstützscheibe 20 und der Haltering 121 sind gegen Verdrehen zum
Außenteil 12 gesichert (nicht gezeigt).
Beim gebeugten Gelenk der vorliegenden Ausführung wird die radiale
Position der Übertragungsteile 12 und 56 zueinander durch eine Reihe von
zusätzlichen Faktoren beeinflußt, im Vergleich zum Gelenk in gestreckter
Lage. Zunächst bewegen sich die Kugeln 70 hin und her den Bahnen 1′ bzw.
6′ entlang und sind dadurch unterschiedlichen Ungenauigkeiten periodisch
(pro Umdrehung) unterworfen. Ferner unterschiedlich ist der radiale
Abstand der jeweiligen Kugeln 70 von der jeweiligen Drehachse des
Außen- 12 bzw. des Innenteiles 56 sowie die örtliche Elastizität zumindest
des Außenteiles 12, so daß ein Unterschied der Übertragungskräfte der
einzelnen Kugeln 70 zustande kommt. Darüber hinaus kommt die Wirkung des
Sekundärmomentes hinzu, das um die winkelhalbierende Achse erzeugt
wird, wodurch diametral gegenüberliegende Kugeln schräg abseits der
Zeichnungsebene unterschiedlich belastet werden.
Ein weiterer Faktor mit einer besonderen Wirkung ist der Verlauf der
Bahnen 1′ und 6′, welche im vorliegenden Fall nicht vollständig kreisförmig
ausgebildet sind, bzw. kreisförmige Strecken 1 r bzw. 6 r mit ihren Mittel
punkten 1 bzw. 6 sowie geradlinige Strecken 1 s bzw. 6 s aufweisen. Die
Neigung der Bahnstrecken 1 s und 6 s zu der Kugelebene 8 im Bereich der
oberen Kugel 70 bzw. am oberen Totpunkt ist größer, als die der Bahnstrec
ken 1 r und 6 r im Bereich der unteren Kugel 70 bzw. am unteren Totpunkt,
so daß die Übertragungskräfte asymmetrisch aufgeteilt werden, wodurch
die Exzentrizität des Außen- zum Innenteil zusätzlich beeinflußt wird.
Die radiale Position der Abstützscheibe 20 zum Innenteil 56 ist von den
Exzentrizitäten der Zentrierfläche 5′ zum Innenteil 56 und der
Zentrierfläche 3′ zu der Zentrierfläche 4′ des Käfigs 34 entlang der
Kugelebene 8 abhängig und wird somit von der Höhe und Lage dieser
Exzentrizitäten bestimmt.
Nach dieser Ausführung der Erfindung ist das Außenteil 12 und die
Abstützscheibe 20 zueinander radialschwimmend angeordnet, so daß das
Außenteil 12 als auch die Abstützscheibe 20 voneinander unabhängig die
durch die jeweiligen Exzentrizitäten vorbestimmten Positionen
weitestgehend einnehmen.
Die Zentrierfläche 3′ des Käfiges 34 hat einen allseitigen bzw. kreisförmigen
Kontakt mit der Zentrierfläche 2′ der Abstützscheibe 20 dadurch, daß sich
die Zentrierfläche 3′ in gestreckter Lage des Gelenkes auf beiden Seiten
der Zentrierfläche 2′ um den halben maximalen Beugewinkel erstreckt.
Die ausgleichende Wirkung der Abstützscheibe 20 ist grundsätzlich
vergleichbar mit der der Abstützscheibe 50 der Fig. 1. Fig. 2b soll dennoch
die unterschiedliche Wirkung der nicht kreisförmigen Bahnverläufe
aufzeigen. Die Drehachse 22 der Zentrierfläche 2′ der Abstützscheibe 20
kreuzt sich mit der Drehachse 55 der Zentrierfläche 5′ und der
gemeinsamen Drehachse 33/44 der Zentrierfläche 3′ und 4′ auf der
winkelhalbierenden Ebene 8 h in 0. Die auf den Meridianebenen 11 und 66
liegenden Mittelpunkte 1 und 6 der Bahnstrecken 1 r und 6 r sind zu den
Drehachsen 22 und 55 gegensätzlich versetzt dargestellt und befinden sich
jeweils in der Radialebene A und J, welche zueinander, von der
winkelhalbierenden Ebene 8 h her gesehen, spiegelbildlich verlaufen. Von
den Mittelpunkten 1 und 6 ausgehend, kreuzen sich die geraden
Bahnachsenstrecken 10 s und 60 s und die kreisförmigen Bahnachsenstrecken
10 r und 60 r jeweils in 7 sf und 7 rf. Durch die unterschiedlichen Neigungen
der Bahnachsenstrecken zueinander ist der Abstand des oberen
Kreuzungspunktes 7 sf von der winkelhalbierenden Ebene 8 h kleiner, als der
des unteren Kreuzungspunktes 7 rf. Auch wenn sich der Mittelpunkt 7 der
oberen Kugel 70 mit der Kugelebene 8 bis zum oberen Kreuzungspunkt 7 sf
gegen die Zentrierkräfte bis zur Ebene 8 f herausschwenken ließe, so wäre
der untere Mittelpunkt 7 u noch weit entfernt von den Achsstrecken 10 r und
60 r, d. h. daß die untere Kugel 70 noch Spiel zu den Bahnstrecken 1 r und 6 r
hätte, so daß die im Bereich des unteren Totpunktes befindlichen Kugeln 70
sehr leicht von der Drehmomentübertragung ausgeschlossen werden können.
Dies führt zu einer weiteren aber merklichen Herabsetzung der
Übertragungsqualität des Gelenkes. Die Bahnachsen auf den Meridianebenen
11 und 66 kreuzen sich in 7 m, ebenfalls weit entfernt von einer
angepaßten Kugelebene.
Durch die relative radiale Bewegungsfreiheit des Außenteiles 12 zu der
Abstützscheibe 20 wird der Nachteil der nicht kreisförmigen Bahnen
ausgleichend kompensiert, auch unter Berücksichtung der
unterschiedlichen radialen Komponenten der Übertragungskräfte. Der
Mittelpunkt 1 verschiebt sich zu 1 g, die Meridianebene 11 zu 11 g. Die
gezeichneten Bahnachsstrecken 60 s und 10 sg sowie 60 r und 10 rg kreuzen
sich nunmehr jeweils in 7 sg und 7 rg und liegen auf der winkelhalbierenden
Ebene 8 h. Die 90° dazu versetzten Bahnachsen, welche in den
Meridianebenen 11 g und 66 liegen, kreuzen sich in 7 n, ebenfalls auf der
winkelhalbierenden Ebene 8 h.
Zusammengefaßt, werden die negativen Einflüsse der radialen und/oder
axialen Fehler durch ein an sich recht einfaches Teil weitgehendst behoben,
unabhängig davon, ob es sich um Fertigungstoleranzen oder Verschleiß
handelt, oder um Wirkungen von asymmetrischen Belastungen durch
Bahnverläufe, Elastizitäten oder gar Sekundärmomente.
Die dadurch erzielbaren Leistungsvorteile sind erheblich und können in der
praktischen Anwendung unterschiedlich ausgenützt werden. Zunächst sind
weitgehend größere Toleranzen einsetzbar und somit die Reduzierung der
Herstellkosten möglich. In Anlehnung an Fig. 2 gilt dies insbesondere für
die Konzentrizität der Bahnen 1′ zu der Innenfläche 121 des Außenteiles 12
- wobei die Innenfläche 121 keine genaue Bearbeitung erfahren braucht -
sowie der Bahnen 6′ zu der Zentrierfläche 5′ des Innenteiles 56. Bei den
Gelenken nach dem Stand der Technik müssen diese Flächen mit einer sehr
hohen Genauigkeit hergestellt bzw. in der Regel geschliffen werden, wobei
das Schleifen zusätzliche geschliffene Bezugsflächen erforderlich macht.
Ferner ist eine Verbesserung der Übertragungskapzität in bezug auf das
statische Drehmoment und die Gebrauchsdauer oder eine relevante Erhöhung
des Beugewinkels in Dauerbetrieb möglich. Durch die Entkrampfung der
Übertragung ist eine spürbare Verminderung des Mittelwertes, vor allem
auch der Streubreite der Erwärmung gegeben, wodurch einfachere
Schmiermittel und Faltenbälge verwendet werden können. Durch die geringe
Wärmeentwicklung können die Gelenke auch problemloser in anderen
Aggregraten eingebaut werden, z. B. in Kraftfahrzeug-Radlagern.
Desweiteren, durch die genauere Steuerung, verbessert sich die
Funktionstüchtigkeit und die Laufruhe des Gelenkes erheblich, so daß ein
erhöhter Fahrkomfort erzielt wird; und nicht zuletzt wird der Einsatz von
Bahnen mit nichtkreisförmigen Strecken, wodurch u. a. die Erhöhung des
maximalen Beugewinkels ermöglicht wird, ohne nennenswerte negative
Wirkung auf die Gelenkleistung geboten.
Fig. 3 zeigt eine weitere Gelenkausführung nach der Erfindung, welche in
Anlehnung an Fig. 1 folgende besonderen Merkmale aufweist. Hier wird das
Innenteil 56 mit seiner Zentrierfläche 5′ in der Zentrierfläche 4′ des
Käfigs 34 um den Gelenkmittelpunkt 0 unmittelbar schwenkbar gehalten.
Das Außenteil 12 wird mit seiner Zentrierfläche 2′ über die Zentrierfläche
3′ der Abstützscheibe 30 um den Gelenkmittelpunkt 0 schwenkbar geführt,
wobei die Abstützscheibe 30 mit ihrer Planfläche 300 mit der Planfläche
340 des Käfigs 34 in Berührung steht und zu diesem radialbeweglich
ausgebildet ist.
Nach dieser Ausführung der Erfindung ist der Käfig 34 und die
Abstützscheibe 30 zueinander radialschwimmend angeordnet, so daß ein
Achsversatz der Außenfläche 341 zu der inneren Zentrierfläche 4′ des
Käfigs 34 ausgeglichen wird. In gestreckter Lage des Gelenkes werden alle
Versatzwerte ausgeglichen bzw. voll kompensiert. In gebeugtem Zustand
werden die Achsversatzwerte zwischen den Bahnen 1′ und der
Zentrierfläche 2′ des Außenteiles sowie zwischen den Bahnen 6′ und der
Zentrierfläche 5′ des Innenteiles 56 vektoriell in Richtung der Planflächen
300/340 bzw. in Richtung der Kugelebene 8 kompensiert. Die Kugelebene 8
bleibt dabei winkelhalbierend.
Dieses wird in Fig. 3a bezogen auf das Gelenk in Fig. 3 dargestellt. Die
Drehachsen 33 und 44 der Zentrierflächen 3′ der Abstützscheibe 30 und 4′
des Käfigs 34 sind um den angenommenen Betrag ihrer Exzentrizität Vk
voneinander entfernt. Die Drehachsen 22 und 33 der Zentrierflächen 2′ und
3′ kreuzen sich in 2/3 auf der winkelhalbierenden Ebene 8 h, die Drehachsen
44 und 55 (dicker dargestellt) der Zentrierflächen 4′ und 5′ kreuzen sich in
4/5 auf der winkelhalbierenden Ebene 8 h ebenfalls.
Die Mittelpunkte 1 und 6 der Bahnen 1′ und 6′ befinden sich jeweils auf der
Radialebene A und J. Die radiale Verschiebung zwischen der Abstützscheibe
30 und dem Käfig 34 bewirkt, daß sich der Mittelpunkt 1 gemeinsam mit
den Drehachsen 22 und 33 in Richtung der Planflächen 300/340 bzw. in der
radialen Ebene K (zweidimensional) versetzt und die Position 1 g einnimmt.
Die Mittelpunkte 1 g und 6 lägen in etwa auf gleicher Höhe. Dabei wird der
Versatz Vk ausgeglichen, die Versatzwerte Va und Vj werden vektoriell
bzw. in Richtung der Ebene K kompensiert. In ähnlicher Weise wie bei der
Fig. 1d geschildert, kommt auch hier eine Offset-Differenz F = (Oa - Oj)
zustande, die etwa (Va + Vj) × sin B/2 entspricht und welche eine axiale
Verschiebung der Kugelebene um F/2 verursacht.
Ein besonderer Vorteil des Gelenkes der Fig. 3 ist die Tatsache, daß die
Abstützscheibe 30 keine Ausnehmungen und somit keine Einrichtung zur
Begrenzung ihrer Verdrehung braucht, und zwar unabhängig von der Höhe
des Beugewinkels.
Fig. 4 zeigt eine weitere Gelenkausführung, welche in Anlehnung an Fig. 1
folgende Unterschiede aufweist. Hier wird das Innenteil 56 mit seiner
Zentrierfläche 5′ in der Zentrierfläche 4′ der Abstützscheibe 40 um den
Gelenkmittelpunkt 0 schwenkbar geführt, wobei die Abstützscheibe 40 mit
ihrer Planfläche 400 mit einer am Käfig 34 angebrachten Planfläche 349 in
Berührung steht und zu diesem radialschwimmend angeordnet ist. Die
weitere Funktionsbeschreibung und die besonderen Vorteile dieser
Ausführung sind mit denen der Ausführung der Fig. 3 prinzipiell
vergleichbar.
Fig. 5 zeigt eine Abstützscheibe 50 mit Ausnehmungen 501 sowie Stegen
510. Die konvexe Zentrierfläche 5′ ist kugelförmig ausgebildet. Um ein
Verdrehen der Abstützscheibe 50 zu dem korrespondierenden Innenteil
(nicht gezeigt) formschlüssig zu verhindern, sind zwei tiefer gesetzte
Zähne 506 mit jeweils zwei Anschlagflächen 503 und 504 vorgesehen. Die
Anschläge wirken mit entsprechenden am Innenteil befindlichen
Gegenanschlägen (Nuten) mit einem allseitigen Spiel, damit die
Abstützscheibe 50 trotz der Drehanschläge radialschwimmend bzw.
radialbeweglich bleibt. Eine Distanzscheibe mit einer ähnlichen Kontur wie
die Abstützscheibe 50 und aus einem geeigneten Material kann zwischen
den Planflächen 500/560 (Fig. 1) eingefügt werden.
Fig. 6 zeigt eine Abstützscheibe 50 mit ihrer Planfläche 500, bei der die
Zentrierfläche 5′ eine Schmiegung zu der korrespondierenden
Zentrierfläche 4′ (gestrichelt dargestellt) aufweist, und zwar im Längs-
und im Querschnitt. Die Zentrierfläche 5′ besteht aus mehreren
Zentrierteilflächen 5 k (eine pro Steg 510), welche jeweils kugelförmig
ausgebildet sind, mit einem kleineren Radius Rk als der Radius Rz der
Zentrierfläche 4′, so daß quasi mehrere Punktberührungen der
Zentrierfläche 4′ mit den Zentrierteilflächen 5 k zustande kommen. Das
Durchgangsloch 505 wirkt mit einem kleineren am Innenteil 56
eingelassenen Stift (nicht gezeigt) zur Begrenzung der Verdrehung der
Abstützscheibe zum Innenteil.
Die Abstützscheibe 50 kann aus verschiedenen Materialien, wie
Gleitlagerwerkstoffe oder mit solchen beschichtet oder imprägniert
werden. Eine Distanzscheibe 50 a (gestrichelt dargestellt) kann auch
zwischen der Planfläche 500 und 560 des Innenteils eingesetzt werden.
Zwischen den Planflächen 500 und 560 (des Innenteiles) kann man ferner in
entsprechenden Taschen Kugeln vorsehen, um eine reibungsarme
Planwälzführung herzustellen. Beidseitig ausgeführte Taschen können dazu
dienen, das Verdrehen der Abstützscheibe 50 zum Innenteil 56 zu
verhindern.
Die Ausführung von Gelenken mit zwei Abstützscheiben, z. B. im Sinne der
Fig. 1 und 2; oder 1 und 3; oder 2 und 4 ist an sich möglich, jedoch mit
einem etwas erhöhten Aufwand. Die radiale Position des Käfigs beim
gestreckten Gelenk ist formschlüssig unbestimmt.
Die Lehre dieser Erfindung ist anhand von Gleichlauffestgelenken mit in
Meridianebenen befindlichen Bahnen erläutert worden. Gelenke mit nicht in
Meridianebenen befindlichen Bahnen, z. B. mit spiralverlaufenden Bahnen
können jedoch in ähnlicher Weise optimiert werden, wobei eine
Abstützscheibe für eine Drehmomentrichtung wirksam ist.
Claims (17)
1. Gleichlauffestgelenk mit zwei Übertragungsteilen bestehend aus einem
hohlen Außenteil, in dessen Innenfläche Bahnen angebracht sind und
einem im Außenteil befindlichen Innenteil, an dessen Außenfläche
korrespondierende Bahnen vorgesehen sind, Kugeln welche jeweils in
einer Bahn des Außen- und des Innenteils zur Drehmomentübertragung
aufgenommen sind, deren Kontaktpunkte zu den Bahnen der Übertra
gungsteile zumindest in einer Drehmomentrichtung und in der
gestreckten Lage des Gelenkes auf einer Seite der Kugelebene liegen,
einem in dem Raum zwischen den Übertragungsteilen befindlichen
Käfig, welcher durch Fenster die Mittelpunkte der Kugeln in einer
Kugelebene hält und welcher zum Außen- und zum Innenteil über
jeweils ein Zentrierflächenpaar um einen Gelenkmittelpunkt zentriert
ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zentrierflächen
(2′, 3′, 4′, 5′) einer Abstützscheibe (50, 20, 30, 40) zugeordnet ist, auf
der das Innenteil (56), das Außenteil (12) oder der Käfig (34)
radialbeweglich abgestützt ist.
2. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (50)
zwischen der inneren Zentrierfläche (4′) des Käfigs (34) und der auf
der einen Seite der Kugelebene (8) befindlichen Planfläche (560) des
Innenteils (56) eingefügt ist.
3. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (20)
zwischen der äußeren Zentrierfläche (3′) des Käfigs (34) und einer auf
der anderen Seite der Kugelebene (8) dem Außenteil (12) zugeordneten
Planfläche (120) eingefügt ist.
4. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (30)
zwischen der inneren Zentrierfläche (2′) des Außenteils (12) und der
auf der anderen Seite der Kugelebene (8) befindlichen Planfläche (340)
des Käfigs (34) eingefügt ist.
5. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (40)
zwischen der äußeren Zentrierfläche (5′) des Innenteils (56) und einer
auf der einen Seite der Kugelebene (8) dem Käfig (34) zugeordneten
Planfläche (349) eingefügt ist.
6. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennfuge (9)
zwischen den in Berührung mit der Abstützscheibe (50, 20, 30, 40)
stehenden Gelenkteilen (56, 34, 12) vorgesehen ist.
7. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestbreite der
Trennfuge (9) in etwa dem maximal zu erwartenden radialen Versatz
zwischen den der Trennfuge bildenden Teilen entspricht.
8. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 2 bzw. 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (50
bzw. 20) Ausnehmungen (501 bzw. 201) aufweist, welche den
jeweiligen Bahnen (6′ bzw. 1′) des Innen- bzw. des Außenteiles (56
bzw. 12) gegenüber stehen, und daß vorzugsweise formschlüssige
Drehanschläge (502, 503, 504, 505) zwischen der Abstützscheibe (50,
20) und dem Innen- bzw. Außenteil (56 bzw. 12) vorgesehen sind.
9. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierfläche (5′, 2′,
3′, 4′) der Abstützscheibe (50, 20, 30, 40) mit der korrespondierenden
Zentrierfläche (4′, 3′, 2′, 5′) eine Schmiegung in Längs- und/oder in
Querrichtung aufweist.
10. Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (50,
20, 30, 40) mit einer rost- bzw. reibungsreduzierenden Beschichtung
versehen ist.
11. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützscheibe (50,
20, 30, 40) aus einem Kunststoff mit guten Gleiteigenschaften
besteht.
12. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die mit der
Abstützscheibe (50, 20, 30, 40) korrespondierende Zentrierfläche (4′,
3′, 2′, 5′) auf beiden Seiten ihrer Berührungsstelle mit der
Abstützscheibe (50, 20, 30, 40) um ein Bogenmaß von etwa der Hälfte
des maximalen Beugewinkels des Gelenkes (B) erstreckt.
13. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellage der
Kugelebene (8) zu den Bahnen (1′ bzw. 6′) des Außen- bzw. des
Innenteils (12 bzw. 56) bei der Halbzeit der Gebrauchsdauer des
Gelenkes dadurch herstellbar ist, daß beim neuen Gelenk die
Kugelebene (8) auf der einen Seite des Gelenkmittelpunktes (0) um den
Betrag der Halbzeitbrinellierung der Fensterflächen (71) liegt
und/oder daß der Abstand des Mittelpunktes (1 bzw. 6) der Bahnen (1′
bzw. 6′) des Außen- bzw. Innenteils (12 bzw. 56) zum
Gelenkmittelpunkt (0) um einen Betrag vergrößerbar bzw. verkleinerbar
ist, der dem axialen Versatz durch den Halbzeitverschleiß der
zwischen dem Außen- bzw. Innenteil (12 bzw. 56) und dem Käfig (34)
befindlichen Zentrier- und Planflächen (2′, 3′, 4′, 5′ und 500/560,
200/120, 300/340, 400/349) entspricht.
14. Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der
Abstützscheibe (50, 20, 30, 40) und der korrespondierenden Planfläche
(560, 120, 340, 349) mindestens eine vorzugsweise
radialschwimmend angeordnete Distanzscheibe (50 a) eingefügt ist.
15. Gleichlauffestgelenk mit zwei Übertragungsteilen bestehend aus
einem hohlen Außenteil, in dessen Innenfläche Bahnen angebracht sind
und einem im Außenteil befindlichen Innenteil, an dessen Außenfläche
korrespondierende Bahnen vorgesehen sind, Kugeln welche jeweils in
einer Bahn des Außen- und des Innenteils zur Drehmomentübertragung
aufgenommen sind, deren Kontaktpunkte zu den Bahnen der
Übertragungsteile zumindest in einer Drehmomentrichtung und in der
gestreckten Lage des Gelenkes auf einer Seite der Kugelebene liegen,
einem in dem Raum zwischen den Übertragungsteilen befindlichen
Käfig, welcher durch Fenster die Mittelpunkte der Kugeln in einer
Kugelebene hält und welcher zum Außen- und zum Innenteil über
jeweils ein Zentrierflächenpaar um einen Gelenkmittelpunkt zentriert
ist, wobei eine der Zentrierflächen einer Abstützscheibe zugeordnet
ist, welche zum Außen-, Innenteil oder Käfig radialbeweglich
angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnachsen (10 bzw.
60) des Außen- bzw. des Innenteils (12 bzw. 56) zumindest teilweise
aus Strecken (10 s, 60 s) ausgebildet sind, deren
Krümmungsmittelpunkte abseits der Drehachse (22 bzw. 55) des
Außen- bzw. Innenteils (12 bzw. 56) liegen.
16. Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen (1′ bzw. 6′) des
Außen- bzw. des Innenteils (12 bzw. 56) hinterschnittfrei ausgebildet
sind.
17. Gleichlauffestgelenk nach 1 oder 15, wobei die Abstützscheibe zum
Außenteil radialbeweglich angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (125) des
Außenteils (12) in Richtung der Abstützscheibe (20) hinterschnittfrei
verläuft.
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