DE4210250A1 - Schwenkkupplung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung zur Benutzung in einem Doppel- bzw. Gleichgeschwindigkeitsgelenk zum Verbinden zweier Wellen, so daß die Rotation der einen Welle um ihre eigene Achse, die andere Welle in Rotation um deren Achse versetzt. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf eine Kupplung zur Verwendung als nach innen gerichtetes Schwenkgelenk eines Doppelgelenkes gerichtet, das bei einem Frontradantrieb eines Motorfahrzeuges verwendet wird.

Konstantgeschwindigkeitsgelenke verbinden Wellen derart, daß die Drehzahl der Wellen, die durch das Gelenk verbunden sind, zu jedem Zeitpunkt bei jeder Umdrehung absolut gleich sind. Dies unterscheidet Doppelgelenke von einfachen Universalgelenken. Wenn insbesondere eine der Wellen, die durch ein Universalgelenk verbunden sind, bei einer absolut konstanten Drehzahl in Drehung versetzt wird, dann wird die andere Welle mit einer Drehzahl gedreht, die geringfügig größer ist, während zweier Bruchteile jeder Umdrehung, und geringfügig geringer ist, während der anderen zwei Teile der Umdrehung, als die konstante Drehzahl der ersten Welle. Die Magnitude dieser Schwankung der Drehzahl vergrößert sich so, wie der Winkel zwischen den Achsen der zwei Wellen sich vergrößert. Dieser Nachteil wird praktisch bei Anwendungen wichtig, die konstante Geschwindigkeit erfordern, beispielsweise bei frontradgetriebenen Fahrzeugen und in den Antrieben, unabhängig gefederter Räder, wo die Winkel zwischen den Wellen meist größer als 40° sind.

Es ist bekannt, daß das Drehzahländerungsproblem durch Verwendung von zwei in Aufeinanderfolge geschalteten Universalgelenken gelöst werden kann. Wenn diese Gelenke korrekt angeordnet sind, wird die Unregelmäßigkeit, die durch ein Gelenk eingebracht wird, durch die gleiche und entgegengesetzte Unregelmäßigkeit, die durch das zweite Gelenk eingebracht wird, ausgeglichen. Konstantgeschwindigkeitsgelenke schließen solche Doppeluniversalgelenke ebenso ein, wie irgendein Gelenk, bei dem die Drehzahlen der Wellen, die durch das Gelenk verbunden sind, absolut gleich zu jedem Zeitpunkt bei jeder Umdrehung sind. Typischerweise schließt ein Konstantgeschwindigkeitsgelenk eine Welle mit einem Universalgelenktyp an jedem Ende ein. Diese Anordnung ist meist auf eine Konstantgeschwindigkeitswelle bezogen.

In einem frontradgetriebenen Fahrzeug werden Konstantgeschwindigkeitsantriebswellen immer paarweise benutzt. Eine Welle ist an der linken (Fahrer-) Seite des Fahrzeuges und die andere an der rechten (Beifahrer-) Seite angebracht. Jede Welle weist eine nach innen gerichtete (Innen-) oder Schwenkkupplung, die die Konstantgeschwindigkeitswelle mit der Motor-/Übertragungsachse verbindet, und eine nach außen gerichtete (Außen-) oder feststehende Kupplung auf, die die Welle mit einem linken oder rechten Rad verbindet. Die Innen- und Außenkupplungen und die Welle weisen gemeinsam ein Konstantgeschwindigkeitsgelenk oder eine -antriebswelle auf, die die Motor-/Übertragungsachswelle mit der Radachse verbindet. Bei Betätigung dreht die Außenkupplung mit dem Rad um einen "festen" Mittelpunkt, während die Innenkupplung "teleskopiert" oder eintaucht und genügend um einen Winkel dreht, um eine erforderliche Bewegung des Aufhängesystems des Autos zu gewährleisten.

Jede Kupplung muß schwenkbar, zumindest um zwei Querachsen in einem Bereich sein, der durch die spezifische Anwendung erforderlich ist. Beispielsweise muß ein kompaktes Doppelgelenk, das Kraft auf die Räder überträgt, typischerweise bei Winkeln von 40° oder mehr arbeiten, um die Erfordernisse des Autos für Lenkungs- und Aufhängebewegungen zu erfüllen. Daher muß jedes Ende des Gelenkes in der Lage sein, sich zumindest um 20° zu bewegen.

Verschiedene Konstantgeschwindigkeitsgelenke sind zur Verwendung in Motorfahrzeugen entwickelt worden. Diese schließen das Tracta-Gelenk ein, das in England durch die Bendix Limited hergestellt wird, das sogenannte Weiss-Gelenk, das in Amerika durch die Bendix Products Corporation hergestellt wird, und ein Gelenk ein, das durch Birfield Transmissions Limited hergestellt wird. Heutzutage sind zwei Grundaußengelenkgestaltungen und drei Grundinnengelenkgestaltungen üblicherweise in Verwendung.

Die beiden grundlegenden nach außen gerichteten Frontradantriebskupplungen sind die Rzeppa- und die unbewegliche Dreibeingestaltung. Die Rzeppagestaltung schließt einen Käfig, innere und äußere Laufringe und einen passenden Satz von sechs Kugeln ein, die durch den Käfig geführt werden. Die unbewegliche Dreibeingestaltung schließt ein dreischenkliges Kreuz oder einen Drehzapfen, der in einem Gehäuse befestigt ist, ein Wellenende mit einer Tulpenform und Gestänge von ringförmigen Querschnitt ein, um die Rollenlager aufeinander abzustimmen.

Die drei Grundtypen der inneren frontradgetriebenen Kupplungen besitzen die Kreuznutgestaltung, die Doppel-S-Gestaltung und die Dreibein-Kolbengestaltung. Die Kreuznutgestaltung schließt einen Käfig, abgewinkelte innere und äußere Laufringe und einen passenden Satz von sechs Kugeln ein, die durch den Käfig zur Bewegung in den Laufringen geführt werden. Die Doppel-S-Gestaltung ist ähnlich der der Rzeppa-Gestaltung und schließt einen Käfig, innere und äußere Laufringe mit darin ausgebildeten Nuten, und sechs Kugeln ein, die durch den Käfig geführt werden. Die Dreibein-Kolbengestaltung schließt ein dreischenkliges Kreuz oder einen Drehzapfen und ein Lager ein, das unbeweglich auf einer Keilwelle befestigt ist. Die Anordnung gleitet in einem genuteten tulpenförmigen Gehäuse.

Eine der Grundanforderungen des nach innen gerichteten Schwenkgelenks oder der Schwenkkupplung ist die, daß sie in der Lage sein muß, das Drehmoment in die Radachse zu übertragen. Die zuvor geschilderten nach innen gerichteten Kolbenkupplungen haben befriedigend in kleinen Autos mit relativ niedrigen Drehmomentmotoren funktioniert. Dennoch funktionieren solche Kupplungen nicht gut, wenn sie an größeren Autos mit höheren Drehmomentmotoren angewendet werden. Dementsprechend sind Versuche durchgeführt worden, um die Drehmomentübertragungskapazität der bekannten nach innen gerichteten Schwenkgelenke zu verbessern.

Ein nach innen gerichtetes Schwenkgelenk, das durch General Motors gestaltet wurde, um Fahrstörungen zu minimieren, die durch hohe winklige Beschaffenheit (Angulation) unter hohem Drehmoment erzeugt werden, das als "Zittern" (Shudder) bekannt ist, ist in den Fig. 1 und 1a gezeigt. Dieses Gelenk wird S-Formgelenk genannt und ist dazu da, die zitterlose Betriebsweise zu erzeugen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das S-Formgelenk eine modifizierte Version des dreibeinigen kolbenaufweisenden Innengelenks. Das S-Formgelenk schließt typischerweise eine Antriebshülse oder -gehäuse 10 mit darin ausgebildeten axialen Nuten, einen Drehzapfen 30 mit einer Keilwelle, die eine Öffnung und drei Schenkel aufnimmt, eine Lageranordnung 60, die jeden Schenkel in einer axialen Nut und eine eine Haube 40 einschließende flexible Haubenanordnung trägt, einen Dichtring 41 und einen Klemmring 42 zum Abdichten des Inneren des Gelenks ein. Schnappverschlußringe 6 sind vorgesehen, um eine Motor-/Übertragungsachswelle 1 in der Keilöffnung des Drehzapfens 30 festzuhalten. Der Hauptunterschied zwischen dem S-Formgelenk und einem herkömmlichen Dreibein-kolbenenthaltenden PV-Gelenk ist, daß die Lageranordnungen 60 des S-Formgelenks quadratisch sind, so daß die Drehmomentübertragungsfläche bedeutend vergrößert wird. Die erhöhte Drehmomentbelastbarkeit dieses Gelenks eliminiert die Winkelbildung unter hohem Drehmoment (zittern).

Der Hauptnachteil des S-Formgelenks ist der, daß die quadratischen Lageranordnungen 60, die für die verbesserte Drehmomentbelastung verantwortlich sind, sehr kompliziert herstellbar und teuer sind. Wie am besten in Fig. 1a gezeigt, schließt jede quadratische Lageranordnung 60 ein Außengehäuse 62, äußere Laufringe 61 und innere Laufringe 64 und eine Anzahl sehr kleiner Nagellager 63 zwischen dem äußeren Laufring 61 und dem inneren Laufring 64 ein. Diese komplexe vielteilige Gestaltung ist sehr teuer sowohl im Hinblick auf die Kosten der Teile als auch die Montagezeit. Diese Unkosten sind enorm, da jedes Fahrzeug sechs solcher Lageranordnungen benötigt.

Es wird daher eine billige, leicht montierbare nach innen gerichtete Schwenkkupplung benötigt, die zum Übertragen eines hohen Drehmomentes geeignet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung von Lagerhülsen anstelle der Kugellagerelemente.

Die Erfindung betrifft zum Teil auch die Verwendung von Lagerbuchsen, die anstelle der teuren Kugellager verwendet werden können. Die wesentliche Grenze bei der Anwendung einer Lagerbuchse ist die sogenannte PV-Grenze. Zum Beispiel verursacht hohe Flankenbelastung eine Lagerbuchse, ihre PV-Grenze zu erreichen. PV ist das Produkt aus Belastung oder Druck (P) und Gleitgeschwindigkeit (V). Eine Lagerbuchse, die der Erhöhung der PV-Belastung unterworfen ist, wird vermutlich einen Ausfallpunkt erreichen, der als PV-Grenze bekannt ist. Der Ausfallpunkt wird üblicherweise durch eine abrupte Vergrößerung des Abnutzungsgrades des Lagermaterials begründet.

Solange die mechanische Festigkeit des Lagermaterials nicht überschritten wird, ist die Temperatur der Lagerfläche im allgemeinen der am meisten wichtige Faktor bei der Bestimmung der PV-Grenze. Alles dies beeinflußt Oberflächentemperatur-Reibungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Schmierung, Umgebungstemperatur, Laufspiel, Härte und Oberflächenbehandlung des zugehörigen Materials - und wird auch die PV-Grenze der Lager beeinflussen.

Daher ist der erste Schritt des Auswählens und Auswertens einer Lagerbuchse die Bestimmung der PV-Grenze, die durch die beabsichtigte Anwendung gefordert wird. Es ist besonders klug, einen großzügigen Sicherheitsspielraum bei der Bestimmung der PV-Grenzen zu gestatten, weil tatsächliche Betriebsbedingungen oft härter sind, als experimentelle Bedingungen.

Das Bestimmen der PV-Erfordernisse irgendeiner Anwendung wird in drei Verfahrensschritten durchgeführt. Zuerst muß die statische Belastung pro Flächeneinheit (P) bestimmt werden, der das Lager im Betrieb widerstehen muß. Für Achsschenkellagerausbildungen ist die Berechnung wie folgt:

P = W/(d×b)

P = Druck, psi (kg/cm²)
W = statische Belastung, lb (kg)
d = Lagerfläche ID, in. (cm)
b = Lagerlänge in. (cm)

Der Druck (P) sollte die zulässigen Maximalwerte der Raumtemperatur nicht überschreiten. Diese können aus einer Tabelle über zulässigen statischen Lagerdruck für die am meisten bekannten Materialien hergeleitet werden. Als nächstes muß die Geschwindigkeit (V) des Lagers in bezug auf die Berührungsfläche berechnet werden. Für ein Achsschenkellager unter experimenteller Gleichlaufrotation, im Gegensatz zu oszillatorischen Bewegungen, wird die Geschwindigkeit wie folgt berechnet:

V = (dN),

dabei ist:
V = Oberflächengeschwindigkeit, in/min (cm/min)
N = Drehzahl, rpm/min
d = Lagerfläche ID, in. (cm)
Schließlich wird PV wie folgt berechnet:

PV (psi-ft/min) = P (psi) × V (in/min) 12

oder in metrischen Einheiten:

PV (kg/cm²-m/sec) = P (kg/cm²) × V (cm/min)/6000

Die PV-Grenzen von ungeschmierten Lagermaterialien sind im allgemeinen vom Hersteller des Materials oder aus technischer Literatur verfügbar. Die PV-Grenzen für irgendein Material variiert mit unterschiedlichen Druck- und Geschwindigkeitskombinationen, ebenso wie mit anderen Testbedingungen; es ist daher ratsam den Hersteller in bezug auf detaillierte Informationen zu konsultieren.

Ein Material, das besonders gut für Lageranwendungen geeignet ist, ist das polyimide aushärtbare Material, das von Dupont unter dem Warenzeichen VESPEL verkauft wird. Gründlich geschmierte VESPEL-Teile können annähernd 1 Million psi-ft/min widerstehen.

Die vorliegende Erfindung beugt diesen Problemen vor, die experimentell bei früheren Gestaltungen auftraten, durch Vorsehen einer Schwenkkupplung mit hohem Drehmoment, die viel billiger ist, als der S-Formgelenktyp. Es wird demgemäß erwartet, daß die Ergebnisse gleich oder besser als beim S-Formgelenk sind oder die Kupplung kann bei viel niedrigeren Kosten hergestellt werden. Die Kupplung ist in jeder Umgebung nutzbar, die eine Schwenkkupplung erfordert, aber sie ist besonders nützlich, als Innenschwenkkupplung in einem frontradgetriebenen Fahrzeug.

Die Kupplung der vorliegenden Erfindung schließt eine Antriebshülse, einen Drehzapfen und ein Drehzapfenhalteelement ein. Die Antriebshülse umfaßt eine Anzahl darin ausgebildeter axialer Nuten ein (die Nuten schließen vorzugsweise planare Oberflächen ein). Falls erforderlich, können diesen Nuten Ausfütterungen oder Beschichtungen von niedriger Reibung, Hoch-PV-Kunststoffmaterial, beispielsweise VESPEL aufweisen. Die Nuten sind in der Antriebshülse angeordnet, um eine kreuzförmige Öffnung zu erzeugen, die sich axial nach innen von einem Ende der Antriebshülse erstreckt, um ein offenes Ende zu begrenzen. Das offene Ende der Antriebshülse ist vorgesehen, den Drehzapfen und das Drehzapfenhalteelement für die Schwenkbewegung in den axialen Nuten aufzunehmen. Die Antriebshülse kann weiterhin eine männliche Keil- oder weibliche Keilnutendabdeckung an seinem anderen Ende aufweisen.

Der Drehzapfen weist einen im wesentlichen zylindrischen Körper und kugelige Enden auf. Der zylindrische Körper besitzt Lagerflächen an seinen distalen Enden und einen zentralen zylindrischen Abschnitt mit einer darin ausgebildeten Keilnutbohrung. Die Keilnutbohrung hat eine Achse, die quer zur Längsachse des zylindrischen Körpers verläuft. Vorzugsweise sind die Lager einfache zylindrische Hülsen, die aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise VESPEL mit einem hohen PV ausgebildet sind. Alternativ dazu können auch Kugellagerelemente verwendet werden, jedoch vergrößern diese die Kosten und die Kompliziertheit.

Das Drehzapfenhalteelement weist einen Körper mit einer Querschnittsform auf, die im wesentlichen komplementär zu der Form des offenen Endes der Antriebshülse ist, so daß das Drehzapfenhalteelement axial innerhalb der axialen Nuten in der Antriebshülse gleiten kann. Das Drehzapfenhalteelement besitzt einen zentralen Körperabschnitt, ein Paar koaxialer zylindrischer Stummelabschnitte, die sich von entgegengesetzten Seiten des zentralen Körperabschnittes erstrecken, und ein Paar Gleitlagerblöcke, die auf den zylindrischen Stummelabschnitten des Drehzapfenhalteelementes befestigt sind.

Die Gleitlagerblöcke besitzen darin ausgebildete zylindrische Öffnungen, so daß die Blöcke an den zylindrischen Stummelabschnitten des Drehzapfenhaltelementes angebracht werden können. Die Blocks haben auch Außenflächen, die komplementär zu Nuten sind, die in der Antriebshülse ausgebildet sind, so daß die Außenbereiche der Gleitlagerblöcke entlang der axialen Nuten verschiebbar sind, die in der Antriebshülse ausgebildet sind.

Vorzugsweise sind die Außenflächen planar, so daß sie entlang korrespondierender Planarflächen der axialen Nuten gleiten. Der planare Kontakt des Gleitblockes mit der Planarfläche der Nut erlaubt solches Gleiten, verhindert aber die Rotation des Gleitblockes in den Nuten. Die zylindrischen Stummelabschnitte sind verschiebbar in bezug auf den Gleitlagerblock, um das Verschieben des Drehzapfenhalteelementes innerhalb der Antriebshülse um die Achse des zylindrischen Stummelabschnittes zu gewährleisten.

Der zentrale Körperabschnitt des Drehzapfenhalteelementes schließt eine zylindrische Drehzapfenaufnahmebohrung mit einer Achse ein, die quer zur Achse des zylindrischen Stummelabschnittes ist. Der zentrale Körperabschnitt schließt weiterhin ein Langloch ein, das ausgebildet ist, um eine Schwingbewegung einer Welle zu erlauben, die in der Keilnutöffnung des Drehzapfens in der Ebene der Achse der zylindrischen Stummel, jedoch an einem Punkt gehalten wird, der an der Achse der Drehzapfenaufnahmebohrung angeordnet ist. Auf diese Weise wirkt das Langloch als eine zylindrische Bohrung mit einer Reihe von Mittellinien, die alle koplanar mit den Mittellinien der zylindrischen Stummel und quer zu der Achse der Drehzapfenaufnahmebohrung sind. Dieses Langloch erlaubt der Keilnutaufnahmebohrung abgedeckt zu bleiben während einer vorbestimmten Winkelbewegung um etwa 25°. Daraus folgt, daß eine Welle, die in dieser Öffnung aufgenommen ist, eine Bewegungsfreiheit von etwa 25° in jede Richtung für eine Gesamtheit von ungefähr 50° aufweist.

Vorzugsweise sind die Lager an jeder Fläche vorgesehen, wo diese sich in Bewegung befinden, beispielsweise in Rotations- oder Gleitbewegung. Die geeignetsten solcher Lager scheinen einfache Hülsen oder Ausfütterungen eines Kunststoffmaterials mit einem niedrigem Reibungskoeffizienten und einem hohen PV zu sein. Natürlich könnten andere Lager, beispielsweise Kugelelementelager vorgesehen sein, jedoch würde dies die Kosten und die Kompliziertheit vergrößern.

Im montierten Zustand nimmt die Keilnutöffnung des Drehzapfens ein Wellenende auf. Das Wellenende erstreckt sich durch das Langloch, das in dem Drehzapfenhalteelement ausgebildet ist. Das Langloch erlaubt der Welle, mit dem Drehzapfen um die Achse des Drehzapfens in einem Verhältnis zu schwenken, das durch das Langloch ermöglicht wird. Vorzugsweise beträgt der Schwenkgrad zwischen den Kanten des Langloches etwa 25° in jede Richtung für eine Gesamtheit von 50°. Die Welle ist auch schwenkbar mit dem Drehzapfenhalteelement um die Achse des zylindrischen Stummels. In diesem Fall tritt die Schwenkbewegung zwischen dem zylindrischen Stummel und den zylindrischen Bohrungen der Gleitblöcke auf. Schließlich kann die Welle axial mit den Gleitlagerblocks relativ zur Antriebshülse schwenken. In diesem Fall erfolgt die Bewegung zwischen den Außenflächen, vorzugsweise planar, der Gleitlagerblocks und der axialen Nuten, die in der Antriebshülse ausgebildet sind. Alles in allem erlaubt die Kupplung eine Schwenkung um Querachsen und ein Eintauchen relativ zur Antriebshülse. Dies erfüllt die Erfordernisse einer nach innen gerichteten Schwenkkupplung, die in einem CV-Gelenk in einem frontradgetriebenen Fahrzeug benutzt wird. Selbstverständlich kann die Kupplung andere Anwendungen aufweisen, für die sie gut geeignet ist. Schließlich kann die Kupplung kostengünstig in einem weiten Bereich hergestellt werden, da sie aus relativ wenig Bauteilen konstruiert ist.

An Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen die zugehörigen Zeichnungen in

Fig. 1 eine Explosivdarstellung einer bekannten Doppelgelenkkupplung des S-Typs;

Fig. 1A eine Explosivdarstellung der Lageranordnung, die in der Gelenkkupplung des S-Typs von Fig. 1 benutzt wird;

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der erfindungsgemäßen Kupplung;

Fig. 2A eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kupplung ähnlich zu der von Fig. 2, ausgenommen, daß die Endabdeckung eine weibliche Keilnut aufweist;

Fig. 3 eine Stirnseitenansicht, teilweise im Schnitt, der Kupplung gemäß Fig. 2;

Fig. 3A eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Kupplung gemäß Fig. 2A;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Drehzapfens, der in der erfindungsgemäßen Kupplung verwendet wird;

Fig. 4A einen Querschnitt des Drehzapfens entlang der Linien, die in Fig. 4 angezeigt sind;

Fig. 5 eine Vorderansicht des Körpers des Drehzapfenhalteelementes, das in der erfindungsgemäßen Kupplung verwendet wird;

Fig. 5A eine Seitenansicht des Drehzapfenhalteelementekörpers gemäß Fig. 5;

Fig. 5B einen Querschnitt des Drehzapfenhaltekörpers entlang der Linien, die in Fig. 5 gezeigt sind;

Fig. 6 eine Vorderansicht einer Lagerbuchse, die auf dem zylindrischen Stummel des Drehzapfenhalteelementes gemäß Fig. 5 angeordnet ist;

Fig. 6A einen Querschnitt der Lagerbuchse entlang der Linien, die in Fig. 6 gezeigt sind;

Fig. 7 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Gehäuses einer Antriebshülse zur Benutzung in der erfindungsgemäßen Kupplung;

Fig. 7A eine Stirnseitenansicht, teilweise im Schnitt, des Antriebshülsengehäuses gemäß Fig. 7;

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Adaptereinsatz, der in den Nuten der Antriebshülse der erfindungsgemäßen Kupplung angeordnet ist;

Fig. 9 eine Lagerbuchse, die an den distalen Enden des Drehzapfens der erfindungsgemäßen Kupplung angeordnet ist;

Fig. 9A einen Querschnitt der Lagerbuchse entlang der Linien, die in Fig. 9 gezeigt sind;

Fig. 10 eine Vorderansicht eines quadratischen Gleitlagerblocks, der auf dem zylindrischen Stummel des Drehzapfenhalteelementes gemäß den Fig. 5 bis 5B angeordnet ist;

Fig. 10A einen Querschnitt des Gleitlagerblockes entlang der Linien, die in Fig. 10 dargestellt sind; und

Fig. 10B einen Querschnitt des Gleitlagerblockes entlang der Linien, die in Fig. 10 gezeigt sind.

Die Fig. 2, 2A, 3 und 3A zeigen die erfindungsgemäße Kupplung im montierten Zustand. Die Kupplung gemäß Fig. 2 und 3 und die Kupplung gemäß Fig. 2A und 3A sind identisch, ausgenommen, daß die Stirnseitenabdeckung 13 der Kupplung in den Fig. 2A und 3A mit einer weiblichen Keilnut ausgebildet ist, wobei die Stirnseitenabdeckung 13 der Kupplung gemäß Fig. 2 und 3 mit einer männlichen Keilnut ausgebildet ist. Die Kupplungen sind in jeder anderen Hinsicht identisch und werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.

Wie in den Seitenansichten der Fig. 2 und 2A gezeigt, schließt die Kupplung eine Antriebshülse oder -gehäuse 10 mit einem Außengehäuse oder einer Außenummantelung 12 ein, die, wie am besten in den Fig. 7 und 7A zu erkennen ist, zwei offene Enden aufweist. Ein Ende des Gehäuses 12 ist durch eine Stirnseitenabdeckung 13 verschlossen. Die Stirnseitenabdeckung 13 ist mit einer Wellenverbindung in Form einer Keilnut ausgebildet, die weiterhin eine männliche Keilnut (Fig. 2) oder eine weibliche Keilnut (Fig. 2A) sein kann. Die Antriebshülse 10 ist mit einer Anzahl axialer Nuten 11 versehen. In der dargestellten Ausführungsform weisen ein Paar sich gegenüberliegenden axiale Nuten 11 planare Flächen 11p auf. Vorzugsweise schließen die planaren Flächen 11p Ausfütterungen eines Kunststoffmaterials, beispielsweise VESPEL, mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten, ein. Die Nuten können, wie in Fig. 7A gezeigt, eine kreuzförmige Öffnung in der Stirnseite des Hülsenaußengehäuses oder der -ummantelung 12 begrenzen.

Die Kupplung schließt auch einen Drehzapfen 30 des Typs ein, der getrennt in Fig. 4 und 4A dargestellt ist. Der Drehzapfen besitzt einen zylindrischen Körper und abgerundete Enden 35, die in den Fig. 2 und 2A betrachtet werden können. Der zylindrische Körper des Drehzapfens schließt einen mittleren zylindrischen Körperabschnitt und Lagerbuchsen an seinen distalen Enden ein. Der Drehzapfen 30 hat eine Keilnutöffnung 37, die im mittleren zylindrischen Körperabschnitt ausgebildet ist. Wie am besten in den Fig. 3 und 3A zu ersehen ist, ist die Keilnutöffnung 37 durch ein Langloch, das in dem weiter unten beschriebenen Drehzapfenhalteelement ausgebildet ist, zugänglich.

Der Drehzapfen 30 wird in einer zylindrischen Bohrung 57 im Drehzapfenhalteelement 50 aufgenommen, dessen Bestandteile in den Fig. 5, 5A, 5B, 6, 6A, 10, 10A und 10B dargestellt sind. Das Drehzapfenhaltelement weist zylindrische Stummel 53 auf, die in Gleitlagerblocks 58 und einem zentralen Körperabschnitt 51 mit einer darin ausgebildeten Drehzapfenaufnahmebohrung angeordnet sind. Wie am besten in den Fig. 3 und 3A dargestellt, hat das Drehzapfentrageelement 50 ein derart darin ausgebildetes Langloch 52, daß der Abschnitt des Drehzapfens, in dem die Keilnutöffnung 37 ausgebildet ist, zugänglich ist, wenn der Drehzapfen um einen vorbestimmten Winkelwert gedreht wird.

Im Betrieb nimmt die Keilnutwellen-Aufnahmeöffnung 37, die im Drehzapfen ausgebildet ist, das Ende einer Welle des Typs auf, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Eine so gehaltene Welle kann mit dem Drehzapfen 30 um die Längsachse des Drehzapfens um einen Bewegungsbereich bewegt werden, der durch die Längsbohrung 52 bestimmt wird. Darüber hinaus kann die Welle und der Drehzapfen mit dem Drehzapfenhalteelement um die Achse der zylindrischen Stummel 53 schwenken und der Schaft, der Drehzapfen und das Drehzapfenhalteelement können mit den Gleitlagerblocks 58 in den axialen Nuten 11 gleiten, die in der Antriebshülse oder -ummantelung 10 ausgebildet sind. Dadurch kann eine Welle, die in der Keilnutöffnung 37 in dem Drehzapfen aufgenommen ist, um Querachsen schwenken und relativ zur Antriebshülse oder -ummantelung eintauchen, wie es für das nach innen gerichtete Schwenkgelenk eines Doppelgelenks erforderlich ist, das bei einem frontradgetriebenen Fahrzeug verwendet wird.

Aufgrund des Planarkontaktes zwischen dem Gleitlagerblock 58 und den axialen Nuten 11 hat diese besondere Kupplung darüber hinaus eine sehr hohe Drehmomentleistung. Alle diese vorteilhaften Betriebsergebnisse werden mit einem Aufbau erreicht, der sehr wenige Teile aufweist, und in dem die Teile relativ einfach und leicht zu montieren sind. Daher kann diese Kupplung bei viel niedrigeren Kosten hergestellt werden, als bekannte Kupplungen mit ähnlichen Fähigkeiten.

Um ein besseres Verständnis der Bauteile der vorliegenden Erfindung zu erreichen, werden eine Anzahl der wichtigsten Bauteile nachfolgend mit speziellem Bezug auf die Zeichnungen 4 bis 10B beschrieben.

Fig. 4 und 4A und 9 und 9A zeigen die Details der Bauteile des Drehzapfens 30 der vorliegenden Erfindung. Wie in den Fig. 4 und 4A gezeigt, weist speziell der Drehzapfenkörper einen mittleren Abschnitt 32 mit einer darin ausgebildeten Keilnutbohrung 37 auf. Die Enden 35 des Drehzapfens sind kugelig ausgebildet, um die erforderliche Schwenkbewegung des Drehzapfenhalteelementes 50, wie zuvor beschrieben, zu erleichtern. Die distalen Enden des zylindrischen Abschnittes des Drehzapfens 30 besitzen einen verringerten Durchmesser, um es einem Lager, vorzugsweise einer Lagerbuchse, zu erlauben, auf diesen distalen Enden 31 befestigt zu werden.

Die Konstruktion der Lagerbuchsen 38, die an den distalen Enden des Drehzapfens 30 vorgesehen sind, ist in den Fig. 9 und 9A dargestellt. Wie zu ersehen ist, hat das Lager vorzugsweise eine einfache Hülse aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise VESPEL, mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten und einem hohen PV. Natürlich können, falls gewünscht, Kugellagerelemente statt dessen benutzt werden, aber dies würde die Kosten bei der Montagezeit, die bei Herstellung der Kupplung aufgebracht wird, drastisch erhöhen.

Die Ausbildung des Drehzapfenhalteelementes 50 ist in den Fig. 5, 5A und 5B und in den Fig. 10, 10A und 10B dargestellt. Wie in den Fig. 5, 5A und 5B zu sehen ist, weist das Drehzapfenhalteelement 50 einen Körperabschnitt 51 mit einer dadurch führenden Drehzapfenaufnahmebohrung 58 auf. Die Drehzapfenaufnahmebohrung 58 ist vorzugsweise zylindrisch. Das Drehzapfenhaltelement 50 weist weiterhin ein Paar koaxialer zylindrischer Stummelabschnitte 53 auf, die sich von den entgegengesetzten Seiten des Körpers 51 erstrecken. Ein Langloch 52 ist im Körper 51 ausgebildet. Die Form der Bohrung 52 ist vorzugsweise konstruiert wie der Vorsprung einer Welle, die um die Achse der Drehzapfenaufnahmebohrung auf einer Ebene quer zur Achse der Drehzapfenaufnahmebohrung schwenkt, wobei die Ebene die Achse der zylindrischen Stummelabschnitte 53 einschließt. Auf diese Weise ist die Bohrung geformt, um Winkelbewegung einer Welle möglich zu machen, die in der Wellenaufnahmeöffnung 37 des Drehzapfens für eine vorbestimmte Winkelbewegung (a) in jeder Richtung von der zentralen Richtung für eine Welle mit einem Durchmesser (d) aufgenommen ist. Um die Erfordernisse eines Doppelgelenks zur Verwendung in an einem frontradgetriebenen Fahrzeug zu erfüllen, sollte der Bewegungsbereich etwa 50° der Gesamtbewegung (25° in jeder Richtung) sein. Der Wert der Winkelbewegungen (a) ist am besten in Fig. 5B dargestellt.

Wie zuvor ausgeführt, wird ein Gleitlagerblock 58 auf jedem der zylindrischen Stummelabschnitte 53 gehalten. Die Konstruktion des Gleitlagerblockes ist am besten in den Fig. 10, 10B und 10B dargestellt. Wie darin gezeigt, hat der Gleitlagerblock 58 eine rechtwinklige, vorzugsweise quadratische Außenform. Der äußere Umfang weist planare Flächen 58p auf, die komplementär zu den Planarflächen 11p der axialen Nuten 11 sind, die in der Antriebshülse 10 ausgebildet sind, so daß die Außenflächen 58p des Gleitlagerblockes 58 innerhalb der axialen Nuten 11 gleiten können. Der Gleitlagerblock 58 weist weiterhin eine darin ausgebildete zylindrische Bohrung auf, um den zylindrischen Stummelabschnitt 53 aufzunehmen. Die zylindrischen Stummelabschnitte 53 werden in der zylindrischen Bohrung derart gehalten, daß sowohl das Drehzapfenhalteelement 53 und der Drehzapfen 30 in bezug zum Gleitlagerblock 58 schwenkbar sind. Um solches Schwenken zu erleichtern, ist eine Lagerbuchse zwischen dem zylindrischen Stummelabschnitt 53 und der zylindrischen Bohrung des Gleitlagerblockes 58 angeordnet. Wiederum ist die bevorzugte Form des Lagers eine Hülse aus plastischem Material, beispielsweise VESPEL, mit hohem PV.

Ein Beispiel einer geeigneten Lagerbuchse ist in den Fig. 6 und 6A gezeigt. Wie daraus zu ersehen ist, ist die Lagerbuchse ein einfacher Ring 72 eines Kunststoffmaterials, beispielsweise VESPEL mit hohem PV. Der Ring ist vorzugsweise mittels eines Klebstoffes oder dergleichen an einem der zylindrischen Stummel 53 oder der zylindrischen Bohrung befestigt, die in dem Gleitlagerblock 58 ausgebildet ist. Im allgemeinen ist es besser, den Lagerring 72 an dem zylindrischen Stummel 53 zu befestigen, da dies die Gleitoberfläche erhöht (die Außenfläche des Lagerringes hat eine geringfügig größere Oberfläche als die Innenfläche).

Schließlich ist die Konstruktion des Gehäuses oder des Ummantelungsabschnittes 12 der Antriebshülse 10 in den Fig. 7 und 7A dargestellt. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, hat die Ummantelung eine im allgemeinen zylindrische äußere Umfangsform und ist mit axialen Nuten 11 versehen, wie am besten in Fig. 7A gezeigt ist. Die axialen Nuten begrenzen eine im allgemeinen kreuzförmige Öffnung in der Stirnseite der Antriebshülse, in der der montierte Drehzapfen und das Drehzapfenhalteelement befestigt ist. Die axialen Nuten 11, auf denen die Gleitlagerblocks 58 gleiten, sind planar, so daß Planarkontakt zwischen den Gleitlagerblocks 58 und den axialen Nuten 11 hergestellt wird. Ein solcher Planarkontakt erlaubt eine große Übertragung des Drehmomentes, das zwischen den zwei Bauteilen übertragen wird. Dies trägt zu einer hohen Drehmomentleistung dieser Kupplung bei. Der Kontakt dieser Planarflächen verhindert darüber hinaus das Verdrehen des Gleitblockes 58 in der Nut 11.

Um das Gleiten zwischen dem Gleitlagerblock 58 und den axialen Nuten 11 der Antriebshülse 10 zu erleichtern, ist ein Lager zwischen den Gleitflächen vorgesehen. Wiederum könnte ein Kugellager verwendet werden, aber dies ist kompliziert und teuer. Statt dessen ist es vorzuziehen, eine Beschichtung oder eine Hülse aus Kunststoffmaterial mit hohem PV zwischen den Gleitflächen vorzusehen. Daher ist eine Hülse oder ein Einsatz 73 aus plastischem Material mit hohem PV vorzugsweise an den Planarflächen der axialen Nuten 11 der Antriebshülse angeordnet, auf denen die Gleitlagerblocks 58 gleiten. Ein Beispiel einer solchen Hülse oder Schicht aus Hoch-PV-Material ist in Fig. 8 gezeigt.

Aus der vorangegangenen Beschreibung sollte sichtbar gemacht sein, wie die Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung die Betriebserfordernisse für eine Kupplung befriedigt, die als eine nach innen gerichtete Schwenkkupplung eines Doppelgelenkes eines frontradgetriebenen Fahrzeuges verwendet wird. Wie zuvor angemerkt, liegen die Erfordernisse einer solchen Kupplung in einem begrenzten Schwenkbereich um zwei Querachsen und einem begrenzten Grad der Schwenkbewegung in der Richtung, die quer zu den beiden Achsen ist, um die das Schwenken auftritt. Im Fall der erfindungsgemäßen Kupplung kann die Wellenaufnahmeöffnung 37 des Drehzapfens 30 eine Welle aufnehmen. Wenn die Welle in der Öffnung 37 aufgenommen ist, ist sie um die Achse des Drehzapfens schwenkbar und auch um die Achsen der zylindrischen Stummel 53 schwenkbar. Darüber hinaus kann die Welle axial in bezug zur Antriebshülse 10 schwenken. Auf diese Weise erbringt die vorliegende Erfindung eine einfache und billige Kupplung hohen Drehmoments, die zur Verwendung als nach innen gerichtete Schwenkeinheit eines Doppelgelenkes eines frontradgetriebenen Fahrzeugs und in anderen Anwendungen, wo ähnliche Bewegungen erforderlich sind, angewendet wird.

Claims (15)

1. Kupplung, aufweisend:

• - eine Antriebshülse (10);
• - einen Drehzapfen (30); und
• - ein Drehzapfenhalteelement (50);
• - die Antriebshülse (10) weist ein Gehäuse (12) mit einer Anzahl darin ausgebildeter axialer Nuten (11) auf, wobei die Antriebshülse (10) einen vorgegebenen axialen Querschnitt aufweist;
• - der Drehzapfen (30) weist einen Zylinderkörper (32) und entgegengesetzte kugelige Enden (35) auf, wobei der Zylinderkörper (32) einen zentralen zylindrischen Abschnitt und zylindrische Lagerendabschnitte aufweist, wobei der Zylinderkörper (32) eine Längsachse und eine darin ausgebildete Keilnutbohrung (37) aufweist, wobei die Keilnutbohrung (37) eine Achse aufweist, die quer zur Längsachse des Zylinderkörpers (32) ist;
• - das Drehzapfenhaltelement (50) weist einen Körper mit einer Querschnittsform auf, die im wesentlichen komplementär zur Querschnittsform der axialen Nuten (11) ist, die in der Antriebshülse (10) ausgebildet ist, so daß das Drehzapfenhalteelement (50) axial in der Antriebshülse (10) gleiten kann;
  der Drehzapfenhalteträger (50) weist weiterhin einen Zentralkörperteil (51) und ein Paar koaxialer zylindrischer Stummelabschnitte (53) auf, die sich von entgegengesetzten Seiten des Zentralkörperabschnittes (51) erstrecken, wobei das Drehzapfenhalteelement weiterhin einen Gleitlagerblock (58) aufweist, der an jedem der zylindrischen Stummelabschnitte (53) angeordnet ist, wobei der Gleitlagerblock (58) eine Außenfläche mit Planarabschnitten (11p), die in den in der Antriebshülse (10) ausgebildeten axialen Nuten (11) gleiten, und eine zylindrische Öffnung (57) aufweist, in der die zylindrischen Stummelabschnitte (53) aufgenommen sind, um ein Verschwenken der zylindrischen Stummelabschnitte (53) und des Körperelementes um die Achse der zylindrischen Stummelabschnitte (53) zu ermöglichen, wobei der Zentralkörperabschnitt (51) des Drehzapfenträgerelementes (58) eine zylindrische Drehzapfenaufnahmebohrung mit einer Achse, die quer zu den Achsen der zylindrischen Stummelabschnitte (53) ist, und ein Langloch (52) mit einer vorbestimmten Form aufweist, wobei die Öffnung der mit Keilnut versehenen Öffnung (37) erlaubt, während einer vorbestimmten Winkelbewegung abgedeckt zu bleiben;
  wobei der Drehzapfen (30) vorgesehen ist, ein Wellenende aufzunehmen, das sich durch das Langloch (52) erstreckt und schwenkbar mit dem Drehzapfen (30) um die Achse des Drehzapfens (30) ist, die Welle weiterhin schwenkbar mit dem Drehzapfenträgerelement (50) um die Achsen der zylindrischen Stummel (53) ist und die Welle vorgesehen ist, axial zu den Gleitlagerblocks (58) relativ zur Antriebshülse (10) zu schwenken.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (38) zwischen jedem Gleitflächenpaar (11p) angeordnet sind.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager Kunststofflagerbuchsen (38) aufweisen.

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzapfen (30) zylindrische Lagerabschnitte an den distalen Enden (31) des Zylinderabschnittes (32) aufweist.

5. Kupplung zum Verbinden einer ersten Welle mit einer zweiten Welle zum Schwenken um eine Querachse und Verschwenken relativ zueinander aufweisend:
eine Antriebshülse (10) mit ersten und zweiten entgegengesetzten axialen Enden, einem Wellenverbinder am ersten Ende der Antriebshülse (10) zum Befestigen des ersten Endes der Antriebshülse (10) mit der ersten Welle, einer Anzahl axialer Nuten (11), die sich axial nach innen vom zweiten Ende der Antriebshülse (10) erstrecken, wobei jede axiale Nut (11) sich gegenüberliegende Planarflächen (11p) aufweist;
einen Drehzapfen (30) mit entgegengesetzten kugeligen Enden (31) und einem zylindrischen Körper (32), der sich zwischen den kugeligen Enden (31) erstreckt, einen Wellenverbinder, der sich auf dem Zylinderkörper (32) abstandsgleich von den entgegengesetzten zylindrischen Enden (31) erstreckt, wobei der Wellenverbinder die Befestigung der zweiten Welle mit dem Drehzapfen (30) erlaubt;
einen Drehzapfenhaltekörper (50) mit einer darin ausgebildeten zylindrischen Drehzapfenaufnahmebohrung (57) und einem Paar colinearer zylindrischer Stummel (53) die sich von entgegengesetzten Seiten des Körpers (50) erstrecken, wobei die Drehzapfenaufnahmebohrung (57) eine Achse aufweist, die quer zu den Achsen der colinearen zylindrischen Stummel (53) ist, wobei der Drehzapfen (30) innerhalb der Drehzapfenaufnahmebohrung (57) schwenkbar aufgenommen ist zum Verschwenken um die Achse der Drehzapfenaufnahmebohrung (57), wobei der Drehzapfenhaltekörper (50) weiterhin ein Langloch (52) durch die eine der zweiten Welle aufweist und der Wellenverbinder sich zur Schwenkbewegung mit dem Drehzapfen (30) erstreckt; und
zwei Gleitblocks (58), die jeweils eine darin ausgebildete zylindrische Bohrung und einen nicht zylindrischen Außenumfang aufweisen und die entgegengesetzte Planarflächen (58p) einschließen, wobei jeder Gleitblock (58) auf einen der zylindrischen Stummel (53) des Drehzapfenhaltekörpers (50) derart angeordnet ist, daß das Drehzapfenhalteelement (50) schwenkbar in bezug zu den Gleitblocks (58) um die Achsen der zylindrischen Stummel (53) ist, die Gleitblocks (58) gleitbar in den axialen Nuten (11) der Antriebshülse (10) zum Gleiten auf einer der Planarflächen (58p) des Gleitblocks (58) gegen eine der Planarflächen (11p) der axialen Nuten (11) aufgenommen ist, und die Gleitblocks (58) gegen Verdrehen in diesen Nuten (11) durch den Kontakt der Planarfläche (58p) der Gleitblocks (58) mit der Planarfläche (11p) der Nuten (11) verbunden sind;
wobei die zweite Welle zum gleichzeitigen Schwenken um die Achse der Drehzapfenaufnahmebohrung (57), Schwenken um die Achsen der zylindrischen Stummel (53) und Gleiten in Richtung der axialen Nuten (11) angeordnet ist.

6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkörper (32) des Drehzapfens (30) Lagerbuchsen (38) an jedem axialen Ende (31) des Körpers (32) einschließt, um den Drehzapfen (30) zum Schwenken innerhalb des Drehzapfenhaltekörpers (50) zu tragen.

7. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenverbinder, der am Drehzapfen (30) vorgesehen ist, eine mit Keilnuten (37) versehende Öffnung ist, die in dem Drehzapfen (30) ausgebildet ist.

8. Kupplung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Aufweisen einer zylindrischen Lagerbuchse (38), die jeden der zylindrischen Stummel (53) umgibt und Halten der Stummel (53) zum Schwenken innerhalb der zylindrischen Bohrung (57), die in den Gleitblocks (58) ausgebildet ist.

9. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Planarflächen (11p) der axialen Nuten (11) weiterhin eine Ausfütterung aus Kunststoffmaterial mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist.

10. Kupplung zum Verbinden einer ersten Welle mit einer zweiten Welle zum Schwenken um Querachsen und Eintauchen in bezug zueinander aufweisend:
eine Antriebshülse (10) mit ersten und zweiten axialen Enden, einen ersten Wellenverbinder, der an dem ersten Ende der Antriebshülse (10) zum Verbinden der Antriebshülse (10) mit der ersten Welle ausgebildet ist, eine Anzahl axialer Nuten (11), die sich axial nach innen von dem zweiten Ende der Antriebshülse (10) erstrecken, wobei die axialen Nuten (11) jeweils entgegengesetzte planare Flächen (11p) aufweisen;
eine Wellenträgeranordnung, die einen Verbinder zum Verbinden der zweiten Welle mit der Wellenträgeranordnung aufweist, die eine Anzahl Gleitblocks (58) aufweist, die jeweils gleitbar innerhalb der axialen Nuten (11) sind, und die entgegengesetzte planare Seitenflächen (58p) aufweisen, die vorgesehen sind, entlang der gegenüberliegenden axialen Flächen (11p) der axialen Nuten (11) zu gleiten;
ein Drehzapfenhalteelement (50), das in den Gleitblocks (38) zum Schwenken um eine erste Achse angeordnet ist;
einen Drehzapfen (30), der in dem Drehzapfenhalteelement (50) zum Schwenken um eine Achse angeordnet ist, die quer zu der ersten Achse ist, wobei der Drehzapfen (30) einen zweiten Wellenverbinder zum Verbinden des Drehzapfens (30) mit der zweiten Welle aufweist.

11. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenverbinder eine mit Keilnut versehene Öffnung (37) ist, die in dem Drehzapfen (30) ausgebildet ist.

12. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenverbinder eine mit Keilnuten (37) versehene Stummelwelle ist.

13. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Planarflächen (11p) der axialen Nuten (11) Ausfütterungen einschließen, die aus einem Kunststoffmaterial niedriger Reibung ausgebildet sind.

14. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzapfenhalteelement (50) auf Lagerhülsen in den Gleitblocks (38) zum Verschwenken um die erste Achse angeordnet sind, wobei die Lagerbuchsen aus Kunststoff ausgebildet sind.

15. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzapfen (30) Lagerbuchsen (38) aufweist, die aus einem Kunststoffmaterial niedriger Reibung bestehen, um den Drehzapfen (30) zum Schwenken um eine Achse quer zur ersten Achse zu tragen.