DE4102001A1

DE4102001A1 - Gleichlaufdrehgelenk

Info

Publication number: DE4102001A1
Application number: DE4102001A
Authority: DE
Inventors: Sobhy Labib Dipl Ing Girguis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 1992-07-30
Anticipated expiration: 2011-01-25
Also published as: IT1258817B; GB9201001D0; GB2252144A; GB2252144B; JPH04307116A; DE4102001C2; US5474500A; ITMI920121A0; FR2672092B1; FR2672092A1; US5362275A; ITMI920121A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufdrehgelenk mit einem hohlen Außenteil, mit drei am Umfang verteilten in der Hauptrichtung axial verlaufenden Bahnen, einem im Außenteil befindlichen Innenteil mit drei in der Haupt richtung radial nach außen gerichteten Zapfen, mit auf jedem Zapfen einer um dessen Längsachse drehbar gelager ten und von den Bahnen des Außenteils schwenkbar geführ ten Rolle.

Bei der Rotation des gebeugten Gelenkes bewegt sich die Rolle ihrer Bahn entlang mit einer überlagerten Schwenk bewegung, wodurch eine sogenannte Bahnreibung zustande kommt. Die Bahnreibung besteht in der Hauptsache aus zwei Komponenten, der Bahnreibkraft, welche durch die lineare Bewegung der Rolle verursacht wird und dem Reibmoment der Bohrreibung durch die Schwenkbewegung.

Alle Reibkräfte aller drei Rollen resultieren in einer periodischen Axialkraft dritter Ordnung. Wird das Gelenk bspw. im Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt, so werden unerwünschte Vibrationen, bzw. Erschütterungen durch die periodischen Axialkräfte, auch Schüttelkräfte ge nannt, verursacht. Dabei wirkt die Axialkraft der Bohr reibung in der entgegengesetzten Richtung der Schüttel kräfte. Erhöht man die Bohrreibung, so werden die resul tierenden Schüttelkräfte reduziert.

Im Sinne der Komfortoptimierung ist die Leichtgängigkeit eines Gelenkes unter Umständen mindestens so wichtig, wie die Reduzierung der Schüttelkräfte. Je leichtgängi ger das Gelenk, je besser die Isolierung der Vibratio nen, die bspw. vom Verbrennungsmotor herrühren. Ohne Drehmomentübertragung ist die Leichtgängigkeit des Gelenkes beim stehenden Fahrzeug ebenso wichtig, denn dadurch wird das sogenannte Standschütteln des laufenden Motors mehr oder weniger isoliert.

Die DE-PS 21 57 372 zeigt solche Gelenke, bei denen die Rolle aus zwei Rollenhälften besteht, welche mittels einer Feder gelenkradial auseinander gegen die Bahnflan ken gedrückt werden. Bei größeren Drehmomenten sollen die Rollenhälften starr verbunden werden, wobei eine Linienberührung mit einer kurzen Unterbrechung vorliegt.

Die DE-OS 22 34 236 zeigt eine ähnliche Ausführung, in der ein Zweipunktkontakt bei größeren Drehmomenten dadurch vorkommt, daß wenigstens eine Kontur der Kon taktflächen modifiziert wird. In einer weiteren Ausbil dung ist eine Längsnut im Bahngrund vorgesehen. Damit soll ein übermäßiger Druck auf den innenliegenden, spitzwinkligen Kanten der Rollenhälften verhindert und die freie Schwenkbeweglichkeit der Rolle sichergestellt werden.

Die Teilung der Rolle in zwei zueinander drehbare Hälf ten kann zu einer erheblichen Reduzierung der Bohrrei bung führen und somit zur Erhöhung der Schüttelkräfte, zumindest zu ihrem instabilen Verhalten. Die Schwenkbe wegung der Rolle wird dabei - anstelle in einem entge gengesetzten Gleiten der Rolle auf den Bahnflanken - in einer relativen Verdrehung der Rollenhälften im Sinne einer Rutschkupplung umgesetzt, so daß nur eine geringe Bohrreibung zustande kommt. Die Kraftkomponente, welche die Rollenhälften zusammendrückt, ist nämlich erheblich niedriger, als die normale Übertragungskraft zwischen den Rollenhälften und den Bahnflanken. Ferner ist der auf die Verdrehung wirkende Hebelarm der "Rutschkupp lung" kleiner als der der Bahnflanken. Außerdem wird ein unerwünschter Wärmestau durch die Verdrehung der Rollen hälften gebildet.

Nachteilig bei diesen Ausführungsformen ist ferner die Teilung der Rolle, welche zu höheren Ungenauigkeiten und Mehrkosten führt. Darüberhinaus, sofern keine oder kleinere Drehmomente übertragen werden, ist ein Vier punktkontakt zwischen der Rolle und der Bahn gegeben, wodurch eine unerwünschte Schwergängigkeit des Gelenkes verursacht wird.

Die Konformität der Punktberührung, welche bei größeren Drehmomenten bei dem Gelenk nach der DE-OS 22 34 236 vorkommt, ist entscheidend geringer im Vergleich zu der Konformität einer Linienberührung. Die Flächenpressung ist dadurch entscheidend höher, der Verschleiß und die Gebrauchsdauer erheblich schlechter. Der Aufbau eines trennenden Schmiermittelfilmes wird dabei reduziert, die Reibwerte der Bahnreibung erhöht und die Leichtgängig keit des Gelenkes herabgesetzt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile zu beheben und eine Reduzierung der periodischen Axialkräfte auf sehr einfache Weise zu erzielen.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Rolle einteilig ausgeführt ist und mit einer Linien berührung in die Bahn eingreift, und im Bereich ihrer Scheitelebene mit einer konkaven, geraden oder konvexen Abflachung des Profiles der Rolle ausgebildet ist, und/oder die Bahn in ihrem Grundbereich mit einer Ein kerbung versehen ist.

Die einteiligen Rollen sind an sich bekannt. Diese sind sicherlich stabiler, genauer und kostengünstiger als die geteilten. Ein instabiles Verhalten der Bohrreibung wird dadurch auch vermieden. Ohne Drehmomentübertragung kann jegliche mechanische Reibung zugunsten der Leichtgängig keit durch das Vorsehen von diametralen Spielen der Rolle in den Bahnen gewährleistet werden. Durch die Linienberührung wird die günstigste Konformität mit den niedrigsten Reibwerten der Bahnreibung erreicht, auch wenn die Kontaktlänge durch die Abflachung der Rolle oder durch die Einkerbung der Bahnen verkürzt wird. Bei einer Halbierung der Berührungslinie reduziert sich die Stärke des trennenden Schmiermittelfilmes bspw. ledig lich um etwa 10%. Andererseits läßt sich durch eine Erhöhung der Breite der Rollen bzw. der Bahnen die gesamte Länge der Linienberührung in weiten Grenzen kompensieren oder auch erhöhen, ebenfalls auf einfache Weise. Niedrige Reibwerte der Bahnreibung sind höheren zu bevorzugen, denn es geht hier nicht um die Erhöhung der Reibwerte schlechthin, sondern um die Erhöhung der Bohrreibung, vorzugsweise bei niedrigen Reibwerten nicht zuletzt wegen der Leichtgängigkeit des Gelenks.

Der Erfindungsgedanke geht dahin, die Linienberührung dort zu unterbrechen, wo die Flächenpressung ansonsten am höchsten wäre. Somit wird die Bohrreibung maßgeblich erhöht, die periodische Axialkraft entsprechend redu ziert.

Die Abflachung des Profiles der Rolle kann konkav, gerade oder konvex ausgebildet werden. Ein konvexer Übergang kann auch derart ausgeführt werden, daß das ganze Profil der Rolle unter Umständen zum Tragen kommen kann, bspw. bei der maximalen Belastung, allerdings mit einer geringen Hertz′schen Pressung im abgesetzten Bereich. Dadurch werden die Trag- bzw. Verschleißbilder übergangsloser bzw. gleichmäßiger.

In Ausbildung des Erfindungsgedankens können die Rollen kugelig ausgebildet werden, mit einer Krümmung, die gleich oder geringfügig kleiner ist als die der Bahnen. Dadurch wird sichergestellt, daß keine allzu hohe Kan tenpressung und Beschädigung der Laufflächen an den Planflächen der Rollen bzw. an den Bahnkanten vorkommt, dort wo die größte Schwenkbewegung vollzogen wird.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Breite der Abflachung an sich auch beliebig gestaltet werden. Bei etwa einem Drittel der Rollenbreite wird die Bildung des trennenden Schmiermittelfilmes nur geringfü gig berührt, die Flächenpressung ist noch ausgewogen.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann die konkave Abflachung der Rolle als Umfangsnut und die Einkerbung der Bahn als Längsnut ausgebildet werden.

Es wird in Fortsetzung des Erfindungsgedankens vorge schlagen, das Profil der Rolle schmaler auszubilden als ihr Umfang bzw. mit einem elliptischen Querschnitt zu versehen, wobei die Längsachse der Ellipse dem Durchmes ser der Rolle entspricht. Dabei kann die Rolle bei zunehmender Schrägstellung sich zumindest geringfügig von der Bahn abheben, im Sinne einer Flankenauflage, so daß der Wirkungsradius der Bohrreibung erhöht wird.

Nach einer weiteren Ausbildung kann die Krümmung der Rolle gleich oder geringfügig kleiner ausgeführt werden als die der Bahn. Dadurch wird zumindest bei kleineren Schrägstellungen der Rolle zur Bahn sichergestellt, daß die Berührung im Bereich der Scheitelebene vorkommt, zugunsten einer geringen Reibung und einer guten Leicht gängigkeit.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kugelrolle mit einer zylindrischen Bahn herkömmlicher Bauart,

Fig. 1a die Flächenpressung der Paarung nach Fig. 1,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt einer Gelenkausführung, bei der eine Schrägstellung bzw. Schwenkbewe gung der Rollen zu den Bahnen vorkommt,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt einer zweiten Gelenkaus führung, bei der eine Schrägstellung bzw. Schwenkbewegung der Rollen zu den Bahnen eben falls vorkommt,

Fig. 3a die Ausschnittsvergrößerung der Rollen und Bahnen von Fig. 3,

Fig. 4 eine Skizze zur Erläuterung der Rollenbewegung beim gebeugten Gelenk,

Fig. 5 eine zylindrisch abgeflachte Kugelrolle mit einer zylindrischen Bahn,

Fig. 5a die Flächenpressung der Paarung nach Fig. 5,

Fig. 6 den Querschnitt einer zylindrischen Bahn mit einer längsverlaufenden Nut im Bahngrund,

Fig. 6a die Längsansicht einer zylindrischen Bahn mit einer längsverlaufenden Nut im Bahngrund und

Fig. 7 eine elliptische Rolle mit elliptischen Bahnen.

Fig. 1 zeigt eine klassische Paarung einer Kugelrolle 3 mit einer zylindrischen Bahn 10, in der der Radius der Bahn 10 geringfügig kleiner ist als der Radius der Kugelrolle 3. Fig. 1a zeigt eine typische Verteilung der Flächenpressung 5 der Paarung von Fig. 1, wobei die maximale Pressung auf der Scheitelebene 9 der Kugelrolle 3 vorkommt. Dadurch bleibt der Wirkungsradius 7 der Wirkungskräfte 6 der Bohrreibung relativ klein. Das Reibmoment ist entsprechend gering, die periodische Axialkraft hoch.

Fig. 2 zeigt eine erste Gelenkausführung nach der Erfin dung. Im Außenteil 1 sind zylindrische Bahnen 10 vorge sehen. Das Innenteil 2 weist drei Zapfen 21 auf, auf denen jeweils eine Kugelrolle 3 mit einer Umfangsnut 31 über Nadellager 22 verschiebbar gelagert ist.

Fig. 3 und Fig. 3a zeigen eine weitere Gelenkausführung nach der Erfindung. Das Innenteil 2 weist drei Zapfen 21 auf, auf denen jeweils eine Zylinderrolle 23 über Nadeln 22 drehbar gelagert ist. Die Kugelrolle 3 mit Umfangsnut 31 ist über der Zylinderrolle 23 verschiebbar gelagert. Das Innenprofil der Rolle 3 ist konvex ballig ausge führt, das Außenprofil der Zylinderrolle 23 ist gerade. Die Kugelrolle 3 wird somit mit der Umfangskraft innen seitig an einer Stelle im Bereich der Scheitelebene und außenseitig an zwei Stellen abseits der Scheitelebene belastet. Somit ist die Kraftübertragung isostatisch. Eine Umkehrung ist auch denkbar in der das Außenprofil der Zylinderrolle 23 konvex ballig ausgebildet ist.

Fig. 4 skizziert den Ablauf der Rolle 3 entlang der Bahn 10 und dem Zapfen 21. Die Rolle 3 bewegt sich von der Position A über B nach C und schließlich über B nach A zurück. Bei der Bewegung in der Richtung X erfährt das Außenteil 1 eine Reibkraft in dieser Richtung X, die größer ist, je größer die Schrägstellung bzw. der Schrägungswinkel der Kugelrolle 3 zur Bahn 10 ausfällt. Dabei wird eine Schwenkbewegung der Rolle 3 zur Bahn 10 im Uhrzeigersinn vollzogen, wodurch ein auf das Außen teil wirkendes Reibmoment M zustande kommt. Dieses Reibmoment M verursacht eine Axialkraft, welche auf die Achse des Außenteiles 1 in Richtung Y wirkt, also entge gengesetzt der Richtung X. Eine Reduzierung der Axial kräfte ist demnach durch eine Erhöhung des Reibmomentes M erreichbar. Die Zapfenreibung zwischen der Rolle 3 und dem Zapfen 21 wirkt im übrigen auf das Außenteil mit einer Reibungskomponente ebenfalls in Richtung X.

Bei der Ausführung von Fig. 3 ist die Rolle 3 zur Zylin derrolle 23 geringfügig schwenkbar, so daß die Schwenk bewegung der Rolle 3 zur Bahn 10 entsprechend verringert werden kann. Dadurch reduziert sich die Bahnreibkraft X und somit die Schüttelkraft, aber auch die Schwergängig keit des Gelenkes im Sinne der Erfindung.

In Fig. 5 ist eine Paarung nach der Erfindung gezeigt, mit einer Kugelrolle 3, in der eine Abflachung 32 vorge sehen ist und eine zylindrische Bahn 11. In Fig. 5a ist eine Verteilung der Flächenpressung 5 der Paarung von Fig. 5 dargestellt, wobei die Belastung in der mittleren Zone bzw. im Bereich der Abflachung 32 vermieden wird. Dadurch vergrößert sich der Wirkungsradius 7 der Wir kungskräfte 6 und somit das Reibmoment. Die Reduzierung der periodischen Axialkraft wird der Breite der Abfla chung 32 entsprechend reduziert, die Linienberührung bleibt aber erhalten. Wird die Kugelrolle 3 selbst breiter ausgeführt, so kann sich der Wirkungsradius 6 weiter vergrößern, wobei die Flächenpressung herabge setzt wird.

Fig. 6 und Fig. 6a zeigen im Sinne der Erfindung eine zylindrische Bahn 10 mit einer Längsnut 11, die eine ähnliche Wirkung auf das Reibmoment mit sich bringt, wie die Umfangsnut 31 der Kugelrolle 3. Die Längsnut 11 kann beim Fließpressen des Außenteils 1 mit einer hohen Genauigkeit im selben Vorgang und somit kostengünstig hergestellt werden.

Die Tiefe der Umfangsnut 31 von Fig. 2 ist reichlich dimensioniert, um jegliche belastungsbedingte Annäherung der Rolle 3 zur Bahn 10 und jeglichen Verschleiß der belasteten Flächen zu kompensieren. Die Umfangsnut 31 weist ferner steile Flanken auf, die eine relativ kon stante Breite der Nut und somit ein gleichbleibendes Reibmoment gewährleisten, auch bei einer größeren radi alen Exzentrizität zwischen der Nut und der belasteten Außenfläche der Rolle. Solche Exzentrizitäten kommen hauptsächlich durch die Herstellverfahren zustande, wenn bspw. die Umfangsnut 31 beim Drehen vor dem Härten eingestochen, die belastete Außenfläche nach dem Härten geschliffen wird. Übergangsradien oder Kantenbrüche zwischen den Flanken und den belasteten Außenflächen sind hier, wie an sich geläufig, sinnvoll.

Die Abflachung 32 beansprucht dagegen weniger radialen Raum und weist sanfte Überlänge bzw. flachere Winkel zur belasteten Außenfläche der Rolle auf und läßt sich mit der belasteten Außenfläche im selben Vorgang einfacher und genauer, bspw. durch Schleifen, herstellen.

Fig. 7 zeigt eine elliptische Rolle 3 mit einer angepaß ten Bahn 10. Sofern sich die Rolle nicht in einer Schrägstellung befindet, wäre die Verteilung ihrer Flächenpressung ähnlich wie in Fig. 1a oder, wenn eine Abflachung vorgesehen wäre, ähnlich wie in Fig. 5a. Bei einer zunehmenden Schrägstellung aber kann sich der Wirkungsradius 7 - in beiden Fällen - zugunsten eines höheren Reibmomentes verschieben.

Vorteilhaft bei der Ausführung ohne Abflachung ist, daß bei kleinen Beugewinkeln bzw. kleinen Schrägstellungen die größte Flächenpressung überwiegend im Bereich der Scheitelebene vorkommt, so daß die Reibungsverluste minimiert werden können. Die Bohrreibung fällt entspre chend gering aus. Dies ist an sich weniger relevant, da bei kleinen Beugewinkeln die periodische Axialkraft - welche in erster Annäherung vom Beugewinkel linear abhängig ist - ohnehin klein bleibt.

Ansonsten ist die Schrägstellung der Rolle, wie in Fig. 4 ausgeführt ist, veränderlich, maximal am Umkehrpunkt und in Hubmitte gleich Null. Dort also, wo die Gleitrei bung am höchsten liegt, ist die Bohrreibung bzw. ihr Wirkungsradius entsprechend hoch und dort, wo keine oder eine kleine Gleitreibungskomponente vorkommt, ist die Bohrreibung minimiert. Demnach werden sowohl die perio dische Axialkraft als auch der Wirkungsgrad und somit die Komforteigenschaften des Gelenkes optimiert.

Das Profil der Bahnen und/oder der Rollen kann im Rahmen der Erfindung an sich beliebig ausgebildet werden. Wichtig ist, daß bei der Schrägung der Rolle eine Erwei terung des Wirkungsradius 7, vorzugsweise allmählich vorkommt. Es kann sich hierbei auch um eine konkave Rolle handeln, welche eine konvexe Bahn umschließt.

Bezugszeichenübersicht

1 Außenteil
2 Innenteil
3 Rolle
5 Flächenpressung
6 Wirkungskraft
7 Wirkungsradius
9 Scheitelebene
10 Bahn
11 Längsnut
21 Zapfen
22 Nadellager
23 Zylinderrolle
31 Umfangsnut
32 Abflachung
K Umfang
M Reibmoment
X Richtung
Y Richtung

Claims

1. Gleichlaufdrehgelenk mit einem hohlen Außenteil, mit drei am Umfang verteilten in der Hauptrichtung axial verlaufenden Bahnen, einem im Außenteil befindlichen Innenteil mit drei in der Hauptrichtung radial nach außen gerichteten Zapfen, mit auf jedem Zapfen einer um dessen Längsachse drehbar gelagerten und von den Bahnen des Außenteiles schwenkbar geführten Rolle, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) einteilig ausgeführt ist und mit einer Linienberührung in die Bahn (10) eingreift, und im Bereich ihrer Scheitelebene (9) mit einer konkaven (31), geraden (32) oder konvexen Abflachung (32) des Profiles der Rolle (3) ausgebildet ist, und/oder die Bahn (10) in ihrem Grundbereich mit einer Einkerbung (11) versehen ist.

2. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) kugelig ausgebildet ist, mit einer Krümmung, die gleich oder geringfügig kleiner ist, als die der Bahn (10).

3. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Abflachung (31, 32) in etwa 1/3 der Rollenbreite entspricht.

4. Gleichlaufgelenk nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Abflachung (31) der Rolle (3) als Umfangsnut und/oder die Einkerbung (11) der Bahn (10) als Längsnut ausgebildet ist.

5. Gleichlaufdrehgelenk, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Rolle (3) schmaler ausgebildet ist, als ihr Umfang (K).

6. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Rolle (3) gleich oder geringfü gig kleiner ist, als die der Bahn (10).

7. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) an ihrem Umfang mit einem ellipti schen Querschnitt ausgebildet ist.

8. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) auf einer auf dem Zapfen (21) gelagerten Zylinderrolle (23) verschiebbar geführt ist.

9. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenprofil der Rolle (3) konvex ballig ausgebildet ist.