DE4210285A1 - Kupplung zur verwendung in einer konstantgeschwindigkeitswelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung zur Benutzung in einem Doppel- bzw. Konstantgeschwindigkeitsgelenk 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, 1b (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 Konstantgeschwindigkeitskupplung, ähnlich dem S-Formgelenk, die jedoch eine viel weniger teuere Lageranordnung einschließt. Daher ist die Forderung nach einem billigen, leicht zu montierenden Ersatz für das S-Formgelenk entsprechend. Die erfindungsgemäße Kupplung ist insbesondere nützlich als nach innen gerichtete Schwenkkupplung in einem frontradgetriebenen Fahrzeug. Weiterhin ist die Kupplung auch in einer Anordnung nützlich, die eine Schwenkkupplung hohen Drehmoments erfordert.

Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Vorteile durch Ersetzen der quadratischen Nadellageranordnung des S-Formgelenks durch eine Lageranordnung, die ähnlich einem Ventilstößel mit vielfachen Lagerflächen funktioniert. Vorzugsweise ist die Lageranordnung derart konstruiert, daß die Drehmomentbelastung durch drei Flächen anstelle einer Fläche übertragen wird. Infolge dieser Ausbildung vergrößert sich die reine Lageroberfläche um etwa das 10-fache. Dies vergrößert drastisch die Drehmomentbelastungskapazität der Anordnung.

Die erfindungsgemäße Kupplung weist eine Antriebshülse, einen Drehzapfen mit einer Anzahl von Schenkeln, und eine Lageranordnung auf, die an jedem Drehzapfenschenkel angeordnet ist, um dem Drehzapfen zu erlauben, innerhalb der Antriebshülse zu gleiten und in irgendeine Richtung bis zu 25° zu schwenken, wenn erforderlich. Die Antriebshülse besitzt eine Anzahl darin ausgebildeter axialer Nuten. Jede solcher Nuten hat eine vorbestimmte Form, die vorzugsweise sich axial erstreckende Planarflächen einschließt, gegen die die Lageranordnungen rollen. Die Anzahl der Schenkel auf den Drehzapfen ist gleich der Anzahl der axialen Nuten. Jeder Schenkel hat einen kugeligen Flächenabschnitt. Die Lageranordnung ist auf dem kugeligen Flächenabschnitt jedes Schenkels des Drehzapfens angeordnet, um den Drehzapfen zur Roll- und Eintauchbewegung in die axialen Nuten zu halten.

Die Lageranordnung schließt ein statisches oder nicht drehbares Element und ein zylindrisches Rollelement ein. Das nicht drehbare Element besitzt eine äußere Umfangsform oder eine Anschlagschulter, die nicht zylindrisch und/oder im wesentlichen komplementär zur Querschnittsform der axialen Nuten ist, so daß jedes nicht drehbare Element innerhalb der Nut gleiten kann, jedoch gegen Verdrehung innerhalb der Nuten blockiert ist. Das nicht drehbare Element schließt weiterhin eine Anzahl radial beabstandeter koaxialer Erstreckungen ein, wobei die radial am weitesten innen liegende Erstreckung eine kugelige Innenfläche aufweist, die im wesentlichen komplementär zur kugeligen Fläche des Drehzapfenschenkels ist, so daß der Drehzapfenschenkel zur Schwenkbewegung in irgendeiner Richtung um den geometrischen Mittelpunkt der kugeligen Fläche gehalten wird. Die Außenflächen der koaxialen Erstreckungen sind vorzugsweise zylindrisch.

Das zylindrische Rollelement besitzt eine sich axial erstreckende zylindrische Außenfläche in Rollberührung mit der Planarfläche der axialen Nuten. Die zylindrische Außenfläche erstreckt sich radial hinter zumindest einem Abschnitt der äußeren Umfangsfläche oder Anschlagschulter des nicht drehbaren Elementes. Daher ist im montierten Zustand, wenn die zylindrische Fläche die Planarfläche der axialen Nut berührt, die Anschlagschulter oder der äußere Umfang des nicht drehbaren Elementes geringfügig von der Planarfläche der axialen Nut beabstandet, so daß sie nicht das Rollen des zylindrischen Elementes entlang der Planarfläche der axialen Nut verhindert. Das zylindrische Rollelement schließt weiterhin einen radial innenliegenden, sich axial erstreckenden zylindrischen Abschnitt ein, der radial vom äußeren zylindrischen Abschnitt beabstandet ist.

Im montierten Zustand erstreckt sich die innere zylindrische Erstreckung oder -abschnitt des Rollelementes zwischen den beabstandeten Erstreckungen des nicht drehbaren Elementes, um zwei unterschiedliche Gruppen sich überlagernder zylindrischer Flächen zu erzeugen. Ein Lager trägt jede Gruppe sich überlagernder Flächen zur Rotation. Der äußere zylindrische Abschnitt des Rollelementes umschließt den äußeren zylindrischen Abschnitt des nicht drehbaren Elementes, um eine dritte Gruppe sich überlagernder zylindrischer Flächen zu begrenzen.

Dadurch begrenzen die Roll- und nicht drehbaren Elemente gemeinsam eine Verriegelungskonstruktion, in der die zylindrischen Abschnitte des Rollelementes voneinander durch die zylindrischen Abschnitte des nicht drehbaren Abschnittes und umgekehrt getrennt werden. Drei Gleitflächenschnittstellen sind innerhalb der Verriegelungskonstruktion vorgesehen. Die erste Gleitflächenschnittstelle befindet sich zwischen der inneren Erstreckung des nicht drehbaren Elementes und dem inneren zylindrischen Abschnitt des Rollelementes. Die zweite Gleitflächenschnittstelle befindet sich zwischen der äußeren Erstreckung des nicht drehbaren Elementes und dem inneren zylindrischen Abschnitt des Rollelementes. Die dritte Gleitflächenschnittstelle befindet sich zwischen der äußeren Erstreckung des nicht drehbaren Elementes und dem äußeren zylindrischen Abschnitt des Rollelementes.

Ein Lager ist vorzugsweise an jeder Gleitflächenschnittstelle angeordnet, um ebenes Gleiten zwischen den jeweiligen Bewegungsflächen zu sichern. Da es möglich ist, Rollelementelager zu verwenden, würde dies die Komplexität und Kosten der Montage erhöhen. Es ist daher bevorzugt, Lagerbuchsen mit niedrigem Gleitreibungskoeffizienten zu Verwenden, die aus einem Material mit einem hohen PV, beispielsweise VESPEL hergestellt sind.

Um die Eintauchbewegung der Rollelemente innerhalb der axialen Nut zu erleichtern, sind die Planarflächen der axialen Nuten mit einer Schichtfläche versehen, die einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aufweist. Dies kann auf verschiedenem Weg erreicht werden. Beispielsweise können die Nuten mit einem Material sprühbeschichtet sein, das einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aufweist. Alternativ dazu können die Nuten mit einem Einsatz oder einer Hülse aus Kunststoff oder einem anderen Material mit hohem PV, beispielsweise VESPEL ausgebildet sein.

Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplung ist der, daß die Konstruktion leichter abgedichtet werden kann, weil weniger bewegliche Teile vorhanden sind. Dies macht es möglich, die hinderliche Gummiabdeckung der herkömmlichen Konstantgeschwindigkeitskupplungsanordnung, falls erforderlich, wegzulassen.

Die Kupplung erlaubt dem Drehzapfen, um bis zu 25° in irgendeiner Richtung zu schwenken und einzutauchen, wie für Kupplungen gefordert wird, die als nach innen gerichtetes Gelenk in frontradgetriebenen Fahrzeugen verwendet wird. Falls gewünscht, kann die Lageranordnung eine Außenfläche aufweisen, die die komplementär zur Form der rechtwinkligen Nut der herkömmlichen S-Formgelenke ausgebildet ist, um eine rückwärtige Befestigung in vorhandenen S-Form-Kupplungstypen zu erleichtern und eine zuverlässige Ausrichtung der Lageranordnungen zu sichern.

An einem Ausführungsbeispiel soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen die zugehörigen Zeichnungen in

Fig. 1 eine Explosivdarstellung einer bekannten S-Formgelenkkupplung;

Fig. 1A eine Explosivdarstellung der Lageranordnung, die in der S-Formgelenkkupplung gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Konstantgeschwindigkeitskupplung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen axialen Schnitt in Explosivdarstellung der Lageranordnung der erfindungsgemäßen Kupplung;

Fig. 4 eine axiale Schnittansicht der erfindungsgemäßen Lageranordnung;

Fig. 4A eine Vorderansicht der Lageranordnung gemäß Fig. 4.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die erfindungsgemäße Kupplung im Prinzip ähnlich der herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 1. Ähnlich wie bei der herkömmlichen Anordnung, schließt die erfindungsgemäße Kupplung eine Antriebshülse 10, einen Drehzapfen 30 mit einer mit Keilnut versehenen Wellenaufnahmeöffnung und drei Schenkeln und Lageranordnungen 70 ein, die auf jeden der Drehzapfenschenkel angeordnet sind, um den Drehzapfen in axialen Nuten 11, die in der Antriebshülse 10 ausgebildet sind, zu halten. Wie zuvor diskutiert, muß der Drehzapfen für eine begrenzte Winkelbewegung (etwa 25°) um Querachsen und ein Eintauchen oder axiale Bewegung in Bezug zur Antriebshülse 10 gelagert werden. In diesem Fall ist der Drehzapfen um zumindest 25° in irgendeiner Richtung schwenkbar und kann sich entlang der axialen Nuten verschieben.

Wie bei der herkömmlichen Anordnung kann die erfindungsgemäße Kupplung weiterhin eine flexible Haubenanordnung und andere herkömmliche Komponenten einschließen, die durch die beabsichtigte Verwendung erforderlich sind. Darüber hinaus ist es möglich, eine weniger hinderliche Abdichtanordnung zu benutzen, beispielsweise eine Einbauabdichtung zwischen den Gleitflächen infolge des einfachen Aufbaus der Lageranordnung 70.

Der prinzipielle Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Kupplung und der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Kupplung besteht in der Konstruktion der Lageranordnung 70. Zusätzlich ist das Antriebshülsengehäuse 10 geringfügig unterschiedlich aufgrund der Erfordernisse der Lageranordnung 70.

Die Ausbildung der Antriebshülse oder -gehäuses 10 kann am besten mit Bezug auf Fig. 2 erläutert werden. Wie darin gezeigt, sind eine Vielzahl axialer Nuten 11 in der Antriebshülse 10 ausgebildet. Diese Nuten schließen Planarflächen 11p ein. Die Planarflächen 11p bestehen vorzugsweise aus einem Beschichtungsmaterial mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten, beispielsweise einer niedrigen Reibungsauflage oder einer Ausfütterung aus Kunststoff oder irgendeinem Hoch-PV-Material, beispielsweise VESPEL.

Der Drehzapfen 30 weist eine zentral ausgebildete Öffnung mit einer darin ausgebildeten Wellenaufnahmekeilnut 32 auf. Die Schenkel 33 des Drehzapfens erstrecken sich radial vom Mittelpunkt des Drehzapfens, wie dargestellt, und sind jeweils mit einem kugeligen Flächenabschnitt 37 versehen.

Die Lageranordnung 70 schließt im allgemeinen einen Innenabschnitt in kugeligen Kontakt mit dem kugeligen Flächenabschnitt 37 des Drehzapfens 30 und eine Außenfläche ein, die vorgesehen ist, entlang der Planarflächen 11p der axialen Nuten zu rollen, die in der Antriebshülse oder -gehäuse 10 ausgebildet sind. Die Lageranordnung 70 besitzt weiterhin eine Anschlagschulter mit einer nicht zylindrischen Form ein, die im wesentlichen komplementär zur Form der zumindest entgegengesetzten Kanten der axialen Nuten 11 sind, um die Lageranordnung 70 in den Nuten sicher auszurichten. Die Form der Anschlagschulter ist am besten in Fig. A gezeigt, wie nachfolgend diskutiert wird.

Die Einzelheiten der Konstruktion der Lageranordnung 70 kann am besten in bezug auf die Fig. 3, 4 und 4A erläutert werden. Wie in diesen Figuren gezeigt, schließt die Lageranordnung 70 ein nicht drehbares oder statisches Element 72 ein. Das nicht drehbare Element besitzt eine kugelige Innenfläche 72s, einen rechtwinkligen Außenabschnitt oder eine Anschlagschulter 72r ein, wie am besten in Fig. 4A ersichtlich, und zumindest zwei radial beabstandete sich axial erstreckende Erstreckungen ein, die eine innere Erstreckung 721 einschließen, an der die zylindrische Fläche 72s ausgebildet ist, und eine äußere zylindrische Erstreckung 722, die koaxial mit der inneren Erstreckung verläuft.

Um die Montage zu erleichtern, ist das statische oder nicht drehbare Element 72 abgeschnitten, so daß die Lageranordnung schräg gestellt und auf dem kugeligen Abschnitt gedreht werden kann. Sobald die montierte Anordnung in den axialen Nuten der Antriebshülse 10 befestigt ist, hindert die Anschlagschulter 72r die Lageranordnung am Schrägstellen um den benötigten Grad, um dem kugeligen Abschnitt zu erlauben, aus der Lageranordnung herauszurutschen. Daher wirken die Schulter 72r und die Nut 11 zusammen, um die Lageranordnung 70 auszurichten und den Drehzapfenschenkel innerhalb der Anordnung zurückzuhalten.

Die Lageranordnung 70 schließt auch ein Rollelement 73 mit zwei radial beabstandeten koaxialen zylindrischen Erstreckungen 731 und 733 ein. Im montierten Zustand gemäß Fig. 4 greifen die zylindrischen Erstreckungen 731, 733 des Rollelementes mit den Erstreckungen 721, 722 des nicht drehbaren Elementes ein, um drei radial beabstandete zylindrische Lagerflächen B1, B2, B3 an einer Seite und B1′, B2′ und B3′ auf der anderen Seite zu begrenzen.

Die Lager weisen weiterhin drei zylindrische Lagerhülsen 77 auf, die vorzugsweise aus einem Hoch-PV-Material mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten, beispielsweise VESPEL, bestehen. Eine Lagerhülse 77 ist an jeder Lagerfläche B1, B2 und B3 vorgesehen. Im montierten Zustand befinden sich die Hülsen 77 in Kontakt mit einer zylindrischen Fläche des Rollelementes und einer zylindrischen Fläche des nicht drehbaren Elementes. Die Hülsen sind jeweils an einer der zwei Flächen, die sie berühren, angeordnet, so daß jede Lagerfläche durch die Lagerhülse begrenzt wird, die entweder relativ zum Rollelement oder zum nicht drehbaren Element gleiten. Vorzugsweise ist die Lagerhülse 77 an ihrer Innenfläche an der Außenfläche einer Erstreckung angeordnet, so daß die Außenfläche der Lagerhülse als Lagerfläche wirkt. Da die Außenfläche der Lagerhülse 77 eine geringfügig größere Oberfläche aufweist, wird diese zur gesamten Lageroberfläche hinzuaddiert.

Aufgrund dieser Konstruktion wird das durch die Lageranordnung 70 übertragene Drehmoment übertragen durch die und zwischen den drei radial beabstandeten Lagerflächen B1, B2 und B3 verteilt. Wenn beispielsweise, in bezug auf Fig. 4, eine Drehmomentkraft T gegen die kugelige Fläche 72s des statischen Abschnittes 72 ausgeübt wird, wird der Kraft entgegengewirkt durch die und verteilt zwischen den Lagerflächen, die mit B3, B1 und B2′ bezeichnet sind. Einer in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft wird entgegengewirkt durch die und verteilt zwischen den Lagerflächen, die mit B3′, B1′ und B2 bezeichnet sind. Dies resultiert in eine bemerkenswerte Vergrößerung der Gesamtlagerfläche. Insbesondere wird eingeschätzt, daß die Gesamtlageroberfläche zehnfach gegenüber einer herkömmlichen Dreibein-Gestaltung vergrößert wird. Dies verbessert in der Drehbewegung die Drehmomentkapazität der Kupplung, so daß die Kupplung in der Lage ist, das hohe Drehmoment größerer Motoren zu übertragen. Dennoch ist die erfindungsgemäße Kupplung viel weniger teuer, als eine S-Formkupplung, da die verwendete Lageranordnung relativ einfach ist, wobei nur fünf Einzelteile erforderlich sind, die leicht hergestellt und montiert werden können.

Im Betrieb erlaubt die Halterung der Drehzapfenschenkel auf den kugeligen Auflagesitzen die notwendige Winkelbewegung in irgendeine Richtung. Der Drehzapfen kann auch frei axial in Bezug zur Antriebshülse 10 eintauchen, weil das Rollelement 73 entlang der reibungsfreien beschichteten Planarflächen der axialen Nuten rollen kann. Der Drehzapfen 30 wird in den Lageranordnungen zurückgehalten, weil die Anschlagschulter 72r, wie am besten in Fig. 4A gezeigt, die Relativbewegung zwischen den Lageranordnungen und den Drehzapfenschenkeln begrenzen.

Claims (18)

1. Kupplung, aufweisend eine Antriebshülse (10) mit einer Anzahl darin ausgebildeter axialer Nuten (11), die jeweils eine bestimmte Form aufweisen;
einen Drehzapfen (30) mit einer zentral ausgebildeten Keilnutöffnung (32) und einer Anzahl Schenkel, die gleich der Anzahl der axialen Nuten (11) ist, die in der Antriebshülse (10) ausgebildet sind, wobei jeder Schenkel (33) einen kugeligen Flächenabschnitt (37) aufweist;
und eine Lageranordnung (70), die auf dem kugeligen Flächenabschnitt (37) jedes Schenkels (33) angeordnet ist, wobei jede Lageranordnung (70) aufweist:
ein nicht drehbares Element (72), das einen kugeligen Flächenabschnitt zum Lagern des kugeligen Flächenabschnittes (37) eines Drehzapfenschenkels (33) einschließt, wobei das nicht drehbare Element (72) weiterhin eine Anzahl radial beabstandeter, sich axial erstreckender Hülsen (77) einschließt;
ein Rollelement (73) mit einer Anzahl radial beabstandeter, sich axial erstreckender zylindrischer Flächen (B1 bis B3), die an den Hülsen (77) des nicht drehbaren Elementes (72) zur Rotation relativ zum nicht drehbaren Element (72) gehalten sind, wobei das Rollelement (72) eine zylindrische Außenfläche in Berührung mit einer axialen Nut (11) der Antriebshülse (10) aufweist;
und ein Lager, das jede zylindrische Fläche (B1 bis B3) des Rollelementes (73) auf einer Hülse (77) des nicht drehbaren Elementes (72) trägt, wobei die Drehmomentbelastung zwischen den Lagern (70) verteilt wird, um die Gesamtlageroberfläche zu vergrößern.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzapfen (30) drei Schenkel (33) aufweist.

3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung (70) zumindest drei Lagerflächen (B1 bis B3) einschließt.

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (70) eine Hülse (77) aus einem Kunststoffmaterial mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten und hohem PV aufweisen, die auf einem nicht drehbaren Element (72) oder dem drehbaren Element (72) angeordnet ist.

5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der axialen Nuten (11) eine Ausfütterung einschließt, die aus einem Kunststoffmaterial mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten besteht.

6. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht drehbare Element (72) einen rechtwinkligen Außenumfangsabschnitt (72r) mit Kanten aufweist, die im wesentlichen komplementär zu den Kanten der axialen Nuten (11) sind, um dem nicht drehbaren Element (72) zu gestatten, innerhalb der axialen Nuten (11) zu gleiten, jedoch das Verdrehen des nicht drehbaren Elementes (72) verhindern.

7. Kupplung zur Verwendung in einer Konstantgeschwindigkeitsantriebswelle, aufweisend:
eine Antriebshülse (10) mit einer Anzahl darin ausgebildeter axialer Nuten (11), die jeweils einen bestimmten axialen Querschnitt aufweisen und ein Paar planarer Flächen (11p) einschließen;
einen Drehzapfen (30) mit einer Anzahl von Schenkeln (33), die gleich der Anzahl der in der Antriebshülse (10) ausgebildeten axialen Nuten (11) ist, wobei jeder der Schenkel (33) des Drehzapfens (30) einen darin ausgebildeten kugeligen Flächenabschnitt (37) aufweist, der einen geometrischen Mittelpunkt hat;
eine Lageranordnung (70), die auf dem kugeligen Abschnitt jedes der Drehzapfenschenkel (33) zum Halten des Drehzapfens (30) innerhalb der Nuten (11) in der Hülse (10) zur Eintauchbewegung axial in Richtung der axialen Nuten (11), die in der Antriebshülse (10) ausgebildet sind, und zur Schwenkbewegung um den geometrischen Mittelpunkt jeder der kugeligen Abschnitte (37), die auf den Drehzapfenschenkeln (33) ausgebildet sind, angeordnet sind, wobei die Lageranordnungen (70) aufweisen:
ein nicht drehbares Element (72) mit einer nicht zylindrischen äußeren Umfangsform, um eine Anschlagschulter (72r) zu begrenzen, die ein axiales Gleiten des nicht drehbaren Elementes (72) in den axialen Nuten (11) erlaubt, aber das nicht drehbare Element (72) gegen Rotation innerhalb der Nuten (11) blockiert, wobei das nicht drehbare Element (72) weiterhin eine Anzahl radial beabstandeter koaxialer Erstreckungen (721 bis 733) einschließt, die eine radial äußerste Erstreckung und eine radial innerste Erstreckung aufweisen, wobei die radial innerste Erstreckung einen kugeligen Innenflächenabschnitt aufweist, der komplementär zum kugeligen Flächenabschnitt des Drehzapfenschenkels (33) ist, so daß der Drehzapfenschenkel (33) zur Schwenkbewegung in irgendeiner Richtung um den geometrischen Mittelpunkt des kugeligen Flächenabschnittes des Drehzapfenschenkels (33) gelagert ist;
ein zylindrisches Rollelement (33), das eine Anzahl koaxial radial beabstandeter zylindrischer Erstreckungen einschließt, die eine radial äußerste Erstreckung und eine radial innerste Erstreckung aufweisen, wobei die radial äußerste Erstreckung eine zylindrische Außenfläche in Rollkontakt mit der Planarfläche (11p) der axialen Nuten (11) aufweist, wobei sich die zylindrische Außenfläche radial nach außen von zumindest einem Abschnitt der Anschlagschulter (72r) erstreckt, so daß im montierten Zustand die zylindrische Außenfläche die planare Flächen (11p) der axialen Nuten (11) berührt und die Anschlagschulter (72r) von den axialen Nuten (11) beabstandet ist;
wobei das Rollelement (73) und das nicht drehbare Element (72) radial derart in Eingriff sind, daß die zylindrischen Erstreckungen (731,733) des Rollelementes (73) und die Erstreckungen (721,722) des nicht drehbaren Elementes (72) einander axial überlagern, und zur Bewegung relativ dazu, jede Erstreckung auf der Erstreckung getragen wird, die sie überdeckt durch ein Lager, um die Drehung des Rollelementes (73) in Bezug zum nicht drehbaren Element (72) zu gestatten.

8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager, die die sich überlappenden Erstreckungen tragen, Lagerbuchsen sind, die aus einem Material mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten bestehen.

9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbuchsen aus einem Kunststoffmaterial mit einem hohen PV bestehen.

10. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Nuten (11) mit einem Material mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten beschichtet sind.

11. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ausfütterungen eines Kunststoffmaterials mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten auf den Planarflächen (11) der axialen Nuten (11) vorgesehen sind.

12. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht drehbare Element (72) eine im wesentlichen rechtwinklige äußere Umfangsform mit vier Kanten aufweist, wobei zumindest zwei dieser Kanten im wesentlichen komplementär zu den Kanten der axialen Nuten (11) sind, um das nicht drehbare Element (72) gegen Verdrehung zu blockieren.

13. Kupplung zum Verbinden von zwei Wellen, aufweisend:
eine Antriebshülse (10) mit ersten und zweiten Enden, einem Wellenbefestigungsmittel, das an dem ersten Ende ausgebildet ist, und einer Anzahl axialer Nuten (11), die sich axial nach innen vom zweiten Ende der Antriebshülse (10) erstrecken;
einen Drehzapfen (30) mit einem darin ausgebildeten Wellenaufnahmemittel (32), wobei der Drehzapfen (30) eine Anzahl von Schenkeln (33) einschließt, die gleich der Anzahl der axialen Nuten (11) ist, die in der Antriebshülse (10) ausgebildet sind, wobei jeder der Schenkel (33) einen darauf ausgebildeten kugeligen Flächenabschnitt (37) aufweist, der einen geometrischen Mittelpunkt aufweist; und
eine Lageranordnung (70) zum Lagern jedes der kugeligen Abschnitte (37) der Schenkel (33) in den axialen Nuten (11) der Antriebshülse (10) zur Eintauchbewegung entlang der axialen Nuten (11) und zur Schwenkbewegung um den geometrischen Mittelpunkt der kugeligen Abschnitte, so daß der Drehzapfen (30) um Querachsen geschwenkt und axial relativ zur Hülse (10) bewegt werden kann, wobei jede Lageranordnung (70) aufweist:
ein nicht drehbares Element (72) mit einer kugeligen Innenfläche (72s) zum Halten des kugeligen Abschnittes (37) des Drehzapfenschenkels (33) und mit einer äußeren Umfangsfläche mit einer Form, die dem nicht drehbaren Element (72) gestattet, innerhalb der axialen Nuten (11) zu gleiten, jedoch im wesentlichen das Verdrehen des nicht drehbaren Teils (72) innerhalb der Nuten (11) verhindert;
ein Rollelement (73), das drehbar auf dem nicht drehbaren Abschnitt befestigt ist, wobei das Rollelement (73) eine zylindrische Außenfläche aufweist, der vorgesehen ist, innerhalb der axialen Nuten (11) zu rollen, wobei sich die zylindrische Außenfläche radial nach außen wenigstens eines Abschnittes der Außenfläche des nicht drehbaren Elements (72) erstreckt, um die Oberflächen der Nuten (11) zu berühren und das nicht drehbare Element (72) von der Oberfläche der Nuten (11) zu beabstanden; und
ein Lager, das das Rollelement (73) zum Drehen in bezug auf das nicht drehbare Element (72) trägt.

14. Kupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht drehbare Element (72) eine Anzahl koaxialer, radial beabstandeter Erstreckungen (721, 722) aufweist und das Rollelement (73) eine Anzahl koaxialer, radial beabstandeter Erstreckungen (731, 733) aufweist, und daß die Erstreckungen des nicht drehbaren Elementes (72) sich mit den Erstreckungen des drehbaren Elementes (73) in einer solchen Weise in Verbindung befinden, daß die Erstreckungen einander überlagern, um eine Reihe radial beabstandeter Lagerflächen zu erzeugen, und daß ein Lager an jeder der Lagerflächen angeordnet ist, um das Rollelement (73) zur Rotation in Bezug zum nicht drehbaren Element (72) zu tragen.

15. Kupplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager Buchsen (77) sind, die aus einem Kunststoffmaterial mit einem hohen PV bestehen.

16. Kupplung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Ausfütterung, die aus einem Kunststoffmaterial mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten besteht.

17. Kupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht drehbare Element (72) eine rechtwinklige Außenumfangsform (72r) aufweist, die zwei Kanten einschließt, die im wesentlichen komplementär zu entsprechenden Kanten der axialen Nuten (11) sind, um das nicht drehbare Element (72) gegen Verdrehen innerhalb der axialen Nuten (11) zu blockieren.

18. Kupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzapfen (30) drei radial beabstandete Schenkel (33) einschließt, und daß die Drehzapfenschenkel (33) und die kugeligen Flächenabschnitte (37) aus einem Einzelstück ausgebildet sind.