DE4200848C1

DE4200848C1 - Synchronous rotating ball joint - with selective hardening of guide surfaces and ball paths

Info

Publication number: DE4200848C1
Application number: DE4200848A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 5206 Neunkirchen-Wolperath De Krude
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 1992-01-15
Filing date: 1992-01-15
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: ITMI930035A0; ES2062934R; KR930016682A; JPH05256322A; IT1263036B; ITMI930035A1; ES2062934A2; ES2062934B1; FR2686132B1; US5501639A; FR2686132A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufkugeldrehgelenk mit einem Gelenkaußenteil und einem Gelenkinnenteil, in denen eine Mehrzahl im wesentlichen in Längsrichtung verlaufen der Kugelbahnen vorgesehen sind, Kugeln zur Drehmoment übertragung, die in sich radial gegenüberliegenden Bahnen im Gelenkinnenteil und im Gelenkaußenteil geführt sind, sowie einem Käfig, der in Käfigfenstern die Kugeln jeweils in einer senkrecht zur Achse liegenden Ebene hält, und Mitteln, die bei relativer Abweichung der Achse von Ge lenkaußenteil und Gelenkinnenteil zueinander den Käfig mit den Kugeln auf die winkelhalbierende Ebene führen, wobei am Gelenkaußenteil und/oder am Gelenkinnenteil jeweils zumindest die von den Kugeln beaufschlagten Bahnflächen der Kugelbahnen sowie die Führungsflächen für den Käfig einer Härtung unterzogen sind.

Die Erfindung ist auf verschiedene Gelenktypen anwendbar, die nachstehend im einzelnen angesprochen werden. Dies sind insbesondere Rzeppa-Festgelenke, bei denen die un mittelbare Steuerung der Kugeln auf die winkelhalbierende Ebene durch meridional verlaufende Kugelbahnen mit in Längsrichtung versetzten Mittelpunkten der Bahnen des Gelenkinnenteils und Gelenkaußenteils erfolgt. Dies sind weiterhin hinterschnittfreie UF-Gelenke, die im wesent lichen dem gleichen Prinzip folgen, bei denen jedoch die Kugelbahnen axial gesehen hinterschnittfrei ausgeführt sind. Dies sind weiterhin DO-Gelenke, bei denen am Käfig kugelige Führungsflächen mit axial gegeneinander ver setzten Krümmungsmittelpunkten auf der Innen- und auf der Außenseite vorgesehen sind, so daß bei Gelenkbeugung eine unmittelbare Steuerung des Käfigs und damit mittelbar der Kugeln auf die winkelhalbierende Ebene erfolgt. Derartige Gelenke sind mit gekrümmten Kugelführungsbahnen als Fest gelenke und mit gerade verlaufenden Kugelführungsbahnen als axial verschiebbare Gelenke ausführbar. Letztlich fallen sogenannte VL-Gelenke unter den Gegenstand der Erfindung, die im Gelenkaußenteil und im Gelenkinnenteil zumindest zum Teil einander zugeordnete Bahnen aufweisen, die nicht streng in Längsrichtung verlaufen, sondern mit einander einen Winkel bilden und hierdurch eine unmittel bare Steuerung der Kugeln auf die winkelhalbierende Ebene und auf den halben Verschiebeweg bewirken.

Ein Gelenk der eingangs genannten Art ist aus der DE 31 32 363 C2 bekannt. Hierbei sind die gesamten, als Führungs flächen wirkenden sphärischen Oberflächen am Gelenkaußen teil und am Gelenkinnenteil mit gleichmäßiger Einhärte tiefe gehärtet. In den Kugelbahnen sind darüberhinaus die von den Kugeln beaufschlagten Bahnflächen mit wesentlich größerer Einhärtetiefe bereichsweise gehärtet.

Bei allen bekannten Gelenken dieser Art haben die Käfige jeweils dauernd oder zumindest zeitweise gleitenden Kon takt mit der gesamten zwischen den Kugelbahnen liegenden Oberflächen des Innen- und/oder des Außenteils des Ge lenks. Je nach Ausgestaltung der Oberflächen kann der Kontakt dauernd Kugelabschnittsflächen oder jeweils nur wandernde schmale Ringabschnittsflächen umfassen. Aus Verschleißgründen ist es hierbei erforderlich, daß alle gleitenden Flächen am Gelenkaußenteil bzw. am Gelenkinnen teil gehärtet werden müssen. Das Härten, das mit dem Ein bringen von großen Wärmemengen verbunden ist, führt an den entsprechenden Teilen zu Härteverzügen und Verformungen. Die Teile müssen dadurch an den verzogenen Führungsflächen nach dem Härten geschliffen werden. Werden die Teile bereits vor dem Härten auf Fertigmaß gebracht, um auf ein nachheriges Schleifen zu verzichten, bedingen die Härte verzüge zumindest ein Klassifizieren, d. h. eine Auswahl zueinander passender Gelenkaußenteile, Gelenkinnenteile und Käfige. Sowohl das Schleifen nach dem Härten wie auch das Klassifizieren nach dem Härten erhöht insgesamt die Fertigungskosten.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Führungsflächen zwischen Käfig und Gelenk innenteil und/oder Gelenkaußenteil so auszugestalten, daß sie im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit gehärtet sind, jedoch eine Gelenkmontage nach dem Härten ohne nach trägliches Schleifen bzw. ohne Klassifizierung ermög lichen. Die weitere Aufgabe besteht darin, hierfür ein geeignetes Härteverfahren bereitzustellen.

Die Lösung besteht darin, daß die an die Kugelbahnen jeweils angrenzenden Bereiche der Oberflächen, die die Führungsflächen bilden, einer Härtung unter Volumenver größerung des Materials unterzogen sind und jeweils zwischen den Führungsflächen ungehärtete Zonen liegen, über die die Führungsflächen radial erhaben hinausstehen.

Weder das vertiefte Härten der Kontaktbereiche in den Kugelbahnen für die Kugeln gemäß der obengenannten DE 31 32 363 C2 bei gattungsgemäßen Gelenken noch ein aus schließliches Härten der Rollenlaufbahnen für die Rollen von Tripodegelenken gemäß der JP 3-26 335 Y2 stehen mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung in konstruktivem oder funktionellem Zusammenhang.

Erfindungsgemäß ausgebildete Führungsflächen sichern die erforderliche Verschleißfestigkeit und reduzieren aufgrund der verkleinerten Härtebereiche die Härteverzüge infolge geringerer Wärmeeinbringung.

Besonders bevorzugt ist es, das Härten auf die äußeren Bahnflächen nahe den Kanten der Kugelbahnen und die Führungsflächen zu beschränken, d. h. das Härten jeweils auf den Übergang zwischen konkaver Kugelbahn und im Quer schnitt teilkreisförmigen Oberflächen am Gelenkaußenteil bzw. am Gelenkinnenteil zu beschränken.

Bevorzugt werden die gehärteten Führungsflächen gleich mäßig über die gesamte Führungslänge im Längsschnitt ver laufen. Abwandlungen in der Form, daß jeweils die axialen Endbereiche als breiter eingehärtete Bereiche wirken, sind jedoch ebenfalls möglich.

Es tragen nur die gehärteten Führungsflächen, die am Ge lenkaußenteil radial nach innen bzw. am Gelenkinnenteil radial nach außen über die übrigen Oberflächenbereiche d. h. die ungehärteten Zonen jeweils zwischen zwei Kugel bahnen hinausstehen. Erfindungsgemäß sind diese radial erhabenen Führungsflächen Ergebnis des Härteverfahrens selber, auf das später noch eingegangen wird.

Aufgrund der reduzierten tragenden Bereiche zwischen Käfig und Gelenkaußenteil und/oder Gelenkinnenteil ist die Ge lenkfunktion nicht gefährdet, wenn örtliche Verzüge dennoch auftreten, da sich die Teile an den reduzierten tragenden Flächen schnell einschleifen.

Ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Gelenke besteht darin, daß das für die Führung des Käfigs vorge sehene Gelenkaußenteil und/oder Gelenkinnenteil mechanisch mit radialem Spiel gegenüber dem Käfig hergestellt werden und daß die Führungsflächen am Gelenkaußenteil bzw. am Gelenkinnenteil unter Durchführung eines materialvolumen vergrößernden Härteverfahrens ausgebildet werden. Hierbei ist es vorgesehen, nach dem Härten auf nachfolgende mechanische Bearbeitungsschritte zu verzichten.

Durch geeignete Verfahren, insbesondere beispielsweise durch ein induktives Härten, sind die gewünschten Volumen vergrößerungen infolge Martensitbildung erzielbar.

Die Wärmezufuhr zu den partielll zu härtenden Bereichen ist hierbei gut kontrollierbar, so daß ein Verzug des gesamten Bauteils nicht zu befürchten ist. Besonders gün stig ist, die von einer vorherigen Wärmebehandlung, zum Beispiel vom Vergüten, im Bauteil noch vorhandenen Wärme für das erfindungsgemäße Härteverfahren zu nutzen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein vollständig montiertes Gleichlaufkugel drehgelenk als Festgelenk im Längsschnitt,;

Fig. 2 zeigt ein Gelenkaußenteil eines Gelenks nach Fig. 1 im Längsschnitt;

Fig. 3 zeigt ein Gelenkinnenteil eines Gelenks nach Fig. 1 in Ansicht;

Fig. 4 zeigt ein Gleichlaufkugeldrehgelenk als Verschie begelenk im Längsschnitt;

Fig. 5a zeigt einen Querschnitt durch eine Kugelbahn in einem Gelenkaußenteil in einer ersten Ausführung;

Fig. 5b zeigt einen Querschnitt durch eine Kugelbahn in einem Gelenkaußenteil in einer zweiten Ausführung;

Fig. 5c zeigt einen Querschnitt durch eine Kugelbahn in einem Gelenkaußenteil in einer dritten Ausführung;

Fig. 5d zeigt einen Querschnitt durch eine Kugelbahn in einem Gelenkaußenteil in einer vierten Ausführung.

Das Gelenk nach Fig. 1 zeigt ein Gelenkaußenteil 1 mit einem einstückig angeformten Boden 2 und einem daran ange setzten, nicht näher erläuterten Anschlußzapfen 3. In das einseitig offene Gelenkaußenteil 1 ist ein im wesentlichen ringförmiges Gelenkinnenteil 4 mit einer nicht weiter beschriebenen zentralen Einstecköffnung 5 für einen Wel lenzapfen eingesetzt. Zwischen Gelenkaußenteil und Gelenk innenteil ist ein Käfig 6 geführt, der in umfangsverteil ten Käfigfenstern 7 drehmomentübertragende Kugeln 8 auf nimmt. Die Kugeln greifen in längsverlaufende Bahnen 9 im Gelenkaußenteil und Bahnen 10 im Gelenkinnenteil ein, die sich paarweise radial gegenüberliegen. Durch die zueinan der symmetrische Form der Bahnmittellinien werden die Kugeln in bekannter Weise bei Beugung des Gelenkinnenteils gegenüber dem Gelenkaußenteil auf die winkelhalbierende Ebene eingestellt, wobei die Kugeln untereinander durch den Käfig in einer Ebene gehalten werden.

Der Käfig hat eine kugelabschnittsförmige Außenoberfläche 11 und eine kugelabschnittsförmige Innenoberfläche 12. Zumindest eine dieser Flächen ist gleitend in noch näher zu beschreibenden Innenoberflächen 13 im Gelenkaußenteil und/oder Außenoberflächen 14 am Gelenkinnenteil geführt. Diese Oberflächen werden anhand der weiteren Darstellungen näher beschrieben.

In Fig. 2 ist das Gelenkaußenteil 1 mit seinen bereits benannten Einzelheiten erkennbar, wobei durch einen ande ren Schnittverlauf und die Einzeldarstellung die Kugelbah nen 9 und die jeweils dazwischenliegenden Innenoberflächen 13 deutlicher hervortreten. Durch gestrichelte Linien sind jeweils längs der Kanten 15 der Kugelbahnen verlaufende eingehärtete und damit volumenvergrößerte Einhärtebereiche erkennbar, die in Achsrichtung entlang der Kanten 15 ver laufende Führungsflächen 16 bilden. Durch den Verlauf der gestrichelten Linie auf der Stirnfläche wird hier deut lich, daß das Einhärten nicht nur die Längskanten 15 der Bahnen 9 betrifft, sondern auch die Laufbahnoberfläche im Bereich der Flächen der Bahnen 9 mitumfaßt.

In Fig. 3 ist das Gelenkinnenteil 4 mit seinen bereits angesprochenen Einzelheiten erkennbar, wobei die Kugelbah nen 10 und die jeweils dazwischenliegenden Außenoberflä chen 14 deutlich werden. Jeweils durch gestrichelte Linien angedeutet sind eingehärtete und volumenvergrößerte Ein härtebereiche, die in Achsrichtung entlang der Kanten 17 der Bahnen 10 verlaufende Führungsflächen 18 bilden. Die Außenoberflächen 14 sind zwischen diesen Führungsflächen 18 gegebenenfalls abgeflacht, so daß ein Tragen hier völ lig ausgeschlossen wird. Durch den Verlauf der gestrichel ten Linie auf der Stirnfläche wird hier deutlich, daß das Einhärten nicht nur die Längskanten 17 der Bahnen 10 be trifft, sondern auch die Laufbahnoberfläche im Bereich der Flächen der Bahnen 10 mitumfaßt.

In Fig. 4 ist ein Gelenk abweichender Bauart als Ver schiebegelenk dargestellt, wobei einander grundsätzlich entsprechende Einzelheiten mit gegenüber Fig. 1 um 20 höheren Ziffern bezeichnet sind.

Es ist also ein Gelenkaußenteil 21 mit einem Gelenkboden 22 und einem daran angesetzten Zapfen 23 gezeigt, in das ein Gelenkinnenteil 24 mit einer Innenöffnung 25 einge setzt ist, das in abgewinkelter Stellung dargestellt ist.

Zwischen Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil ist ein Käfig 26 mit umfangsverteilten Käfigfenstern 27 sichtbar, der die drehmomentübertragenden Kugeln 28 aufnimmt, die in Kugelbahnen 29 im Gelenkaußenteil und Kugelbahnen 30 im Gelenkinnenteil eingreifen, die in diesem Fall jeweils bezogen auf die Bahnmittellinie mit konstantem Abstand zur Mittelachse des Bauteils verlaufen. Um die Kugeln auf die winkelhalbierende Ebene zu führen und bei einer möglichen Axialverschiebung des Gelenkinnenteils gegenüber dem Ge lenkaußenteil die Kugeln auf den halben Verschiebeweg zu führen, verlaufen jedoch hier die Bahnen mit einem in der Zeichnung nicht erkennbaren Schrägungswinkel gegenüber der jeweiligen Achse des Gelenkbauteils. Auch hier hat der Käfig 26 eine im wesentlichen kugelige Außenoberfläche 31, während die Innenoberfläche 32 etwa von der Käfigmitte aus in Richtung zum Boden 22 innenzylindrisch verläuft und zur Gelenkaußenseite hin einen Axialanschlag für das Gelenk innenteil 24 bildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gelenk nach außen mit einem Rollbalg 39 bekannter Bauart abgeschlossen. Die hier nicht näher dargestellten gehärteten Bereiche erfaßen ebenso wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest die Bahnflächen und die Führungsflächen.

In den Fig. 5a bis 5d ist jeweils der Querschnitt durch ein Gelenkaußenteil 1 im Bereich einer Kugelbahn 9 ge zeigt, wobei ein gepunktet dargestellter Querschnittsbe reich, der durch eine strichpunktierte Linie begrenzt wird, eine Einhärtezone 40 und gegebenenfalls eine erwei terte Einhärtezone 42 im Ouerschnitt wiedergibt. Die Tiefe der Einhärtezone 40 im Material ist jeweils im Bahngrund geringer und an den Bahnflächen nahe den Kanten 15 der Kugelbahn größer, wobei für die Funktion die Breite b der eingehärteten Führungsflächen 16 und im Bereich der Bahn 9 die Tiefe a der Einhärtezone 40 unter dem Tragwinkel δ von Bedeutung ist, unter dem die Bahn 9 durch die Kugel bei Drehmomentübertragung belastet wird. Im Bahngrund 41 ist in den Fig. 5a und 5c überhaupt keine Einhärtung vorgesehen, d. h. die Einhärtetiefe geht auf Null zurück, während in den Fig. 5b und 5d ein deutlich von Null abweichender Wert auch im Bereich des Bahngrundes 41 erkennbar ist. Während in den Fig. 5a und 5b die Ein härtezone 40 im Querschnitt bogenförmig begrenzt ist, ist in den Fig. 5c und 5d jeweils im Anschluß an die Kanten 15 eine ergänzende Einhärtezone 42 etwa konstanter Tiefe zur Verbreiterung der Führungsfläche 16 vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1, 21 Gelenkaußenteil
2, 22 Boden
3, 23 Wellenzapfen
4, 24 Gelenkinnenteil
5, 25 Einstecköffnung
6, 26 Käfig
7, 27 Käfigfenster
8, 28 Kugel
9, 29 Bahn (außen)
10, 30 Bahn (innen)
11, 31 Außenoberfläche (Käfig)
12, 32 Innenoberfläche (Käfig)
13 Innenoberflächen (Außenteil)
14 Außenoberflächen (Innenteil)
15 Kanten (Bahn 9)
16 Führungsflächen (Einhärteflächen) außen
17 Kanten (Bahn 10)
18 Führungsflächen (Einhärteflächen) innen
39 Rollbalg
40 Einhärtezone
41 Bahngrund
42 Einhärtezone

Claims

1. Gleichlaufkugeldrehgelenk mit einem Gelenkaußenteil (1, 21) und einem Gelenkinnenteil (4, 24), in denen jeweils eine Mehrzahl im wesentlichen in Längsrichtung verlaufender Kugelbahnen (9, 29; 10, 30) vorgesehen sind, Kugeln (8, 28) zur Drehmomentübertragung, die in sich radial gegenüberliegenden Bahnen im Gelenkaußen teil (1, 21) und im Gelenkinnenteil (4, 24) geführt sind, sowie einem Käfig (6, 26), der in Käfigfenstern (7, 27) die Kugeln jeweils in einer senkrecht zur Achse liegenden Ebene hält, und Mitteln, die bei re lativer Abweichung der Achsen von Gelenkaußenteil (1, 21) und Gelenkinnenteil (4, 24) zueinander den Käfig (6, 26) mit den Kugeln (8, 28) auf die winkelhal bierende Ebene führt, wobei am Gelenkaußenteil (1, 21) und/oder am Gelenkinnenteil (4, 24) jeweils zumindest die von den Kugeln (8, 28) beaufschlagten Bahnflächen der Kugelbahnen (9, 29; 10, 30) sowie die Führungs flächen (16, 18) für den Käfig (6, 26) einer Härtung unterzogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Kugelbahnen (9, 29; 10, 30) jeweils angrenzenden Bereiche der Oberflächen (13, 14), die die Führungsflächen (16, 18) bilden, einer Härtung unter Volumenvergrößerung des Materials unterzogen sind und jeweils zwischen den Führungsflächen (16, 18) ungehärtete Zonen liegen, über die die Führungsflächen (16, 18) radial erhaben hinausstehen.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenvergrößerung durch Martensitbildung entstanden ist.

3. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (16, 18) jeweils zu den axia len Enden der Kugelbahnen (9, 29; 10, 30) in Umfangs richtung verbreitert ausgebildet sind.

4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkaußenteil (1, 21) bzw. das Gelenkinnen teil (4, 24) im Bereich der Führungsflächen (16, 18) tiefer eingehärtet ist, als im Bereich der Bahnflächen der Kugelbahnen (9, 29; 10, 30).

5. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkaußenteil (1, 21) bzw. das Gelenkinnen teil (4, 24) ausschließlich im Bereich der Führungs flächen (16, 18) und der Bahnflächen nahe der Bahnkan ten (15, 17) gehärtet sind, während die Bahnober flächen im Bahngrund (41) ungehärtet bleiben.

6. Gelenk nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkaußenteil (1, 21) bzw. das Gelenkinnen teil (4, 24) im Bereich der Führungsflächen (16, 18) größere und im Bereich der Bahnflächen abnehmende Härtetiefen aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Gelenkes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig und das für die Führung des Käfigs vor gesehene Gelenkaußenteil und/oder Gelenkinnenteil mechanisch mit radialem Spiel zueinander hergestellt werden und daß die Führungsflächen am Gelenkaußenteil bzw. am Gelenkinnenteil unter Durchführung eines nur partiell angewandten durch Martensitbildung volumen vergrößernden Härteverfahrens ausgebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Ausbildung der Führungsflächen mittels des Härteverfahrens die Gelenkteile keiner weiteren mechanischen Bearbeitung unterworfen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkaußenteil bzw. das Gelenkinnenteil in zumindest einem ersten Schritt einer das gesamte Teil erfassenden Wärmebehandlung, insbesondere einer Ver gütung unterzogen wird, dem sich als abschließender Schritt ein partiell angewandtes martensitbildendes Härteverfahren der Führungsflächen und Bahnflächen anschließt.