DE4234488C1 - Gleichlaufkugeldrehgelenk mit asymmetrischem Käfig - Google Patents

Gleichlaufkugeldrehgelenk mit asymmetrischem Käfig

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Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufkugeldrehgelenk mit einem Gelenkaußenteil mit ersten Kugelbahnen in seiner Innenausnehmung, einem Gelenkinnenteil mit zweiten Kugel­ bahnen auf seiner Außenoberfläche, wobei die ersten und die zweiten Bahnen über dem Umfang gleich verteilt sind und sich paarweise gegenüberliegen und jeweils eine dreh­ momentübertragende Kugel aufnehmen, sowie einem Kugel­ käfig, der die Kugeln in einer gemeinsamen Ebene hält, mit einer der Anzahl der Kugeln entsprechenden Anzahl von Fenstern, in denen die Kugeln jeweils in Umfangsrichtung verschiebbar sind.
Unter die hiermit gegebene Definition fallen RF-Festgelen­ ke, DO-Verschiebegelenke und VL-Verschiebegelenke mit jeweils axialen Anschlag für den Kugelkäfig. Gelenke die­ ser Art sind unter den genannten Bezeichnungen im einzel­ nen beschrieben in "Schmelz, F. u. a., Gelenke und Gelenk­ wellen", Springer-Verlag 1988. Den hiermit genannten Ge­ lenken ist es gemeinsam, daß die Montage der Kugeln in der Weise erfolgt, daß bei vormontiertem Gelenk mit Gelenk­ außenteil, Gelenkinnenteil und Kugelkäfig in bestimmungs­ gemäßer Position die Kugeln unter Einstellen eines Monta­ gewinkels αM, der größer ist als der maximale Arbeits­ winkel αA einzeln montiert werden. Dies bedeutet, daß die Achsen von Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil so zueinander abgewinkelt werden, daß zumindest eines der Kugelfenster des Käfigs aus dem Gelenkaußenteil frei aus­ tritt, so daß von radial außen eine Kugel in das Käfig­ fenster und die entsprechende Bahn des Gelenkinnenteil eingesetzt werden kann. Der Montagewinkel αM geht über den maximalen Betriebswinkel oder Arbeitswinkel αA des Gelenkes hinaus, der so eingeschränkt ist, daß eine selbsttätige Demontage des Gelenkes in umgekehrter Weise wie zuvor beschrieben nicht möglich ist.
Bei jeder Gelenkbeugung sind sämtliche Kugeln eines Ge­ lenkes, soweit sie sich nicht mit ihren Mittelpunkten auf einer senkrecht zur Beugungsebene liegenden Achse befin­ den, gegenüber einer angenommenen Mittelachse Xn ihres Käfigfensters in Umfangsrichtung verschoben. Bei gebeugt umlaufenden Gelenk bewegen sich die einzelnen Kugeln in ihren jeweiligen Kugelfenstern also oszillierend in deren Längsrichtung, d. h. in Umfangsrichtung des Käfigs. Die Länge der Kugelfenster ist so bemessen, daß die oben ge­ nannte Abwinkelung zur Montage sämtlicher Kugeln möglich ist.
Die Bruchfestigkeit von Kugelgelenken wird weitestgehend durch die Bruchfestigkeit des Kugelkäfigs bestimmt. Hier­ bei sind insbesondere die Stege zwischen den Fenstern, die durch die oben genannten Montageanforderungen vorgegeben sind, die schwächsten Stellen. An sich gewünschte große Arbeitswinkel des Gelenkes erfordern entsprechend größere Montagewinkel, die im Hinblick auf eine sich dadurch ver­ ringernde Stegbreite infolge größerer Fenster beschränkt sind. Die Festigkeitsanforderungen bzgl. der Breite der Stege zwischen den Fenstern stehen ebenfalls einer an sich gewünschten Vergrößerung der Kugeln bei einer bestimmten Gelenkgröße zur Erhöhung der Drehmomentkapazität entgegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gleichlaufkugeldrehgelenke der oben genannten Art dahin­ gehend zu verbessern, daß die Bruchfestigkeit der Kugel­ käfige bei vorgegebener Kugelgröße gesteigert werden kann. Sinngemäß entspricht dies der Formulierung, daß die Kugel­ größe und damit die Drehmomentkapazität ohne Nachteile hinsichtlich der Bruchfestigkeit des Kugelkäfigs erhöht werden kann.
Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Lage der Fenster im Käfig über dem Umfang ungleich verteilt ist, wobei im Querschnitt durch den Kugelkäfig - unter Bezugnahme auf eine Radialachse XA durch den Käfig, die mit der radia­ len Mittellinie X1, X2 zumindest eines ersten Fensters zusammenfällt, und auf eine Querachse XQ durch den Kä­ fig, die senkrecht auf der Radialachse XA steht und durch die Käfigmitte geht - die jeweils kürzesten Winkel­ abstände der radialen Mittellinien Xn der übrigen Fen­ ster zu der Radialachse XA - im Vergleich mit den Win­ kelabständen von Radien RT eines der Zahl der Fenster entsprechenden Teilkreises mit gleicher Winkelteilung, der von der Radialachse XA ausgeht - verringert sind und die jeweils kürzesten Winkelabstände der radialen Mittellinien Xn der übrigen Fenster zu der Querachse XQ - im Ver­ gleich mit den Winkelabständen der genannten Radien RT des der Zahl der Fenster entsprechenden Teilkreises mit gleicher Winkelteilung - vergrößert sind.
Erfindungsgemäß kann auf diese Weise ohne jegliche Verän­ derung der Funktion und der Montageart die Breite der Stege zwischen den Käfigfenstern erhöht werden. Das heißt, bei gleicher Gelenkkonfiguration, insbesondere gleichem Arbeitswinkel und Montagewinkel, kann jeder der Stege zwischen den Fenstern verbreitert werden, indem im Vergleich mit einem Käfig nach dem Stand der Technik das zumindest eine erstgenannte Fenster an beiden Enden und die übrigen Fenster an den zu dem zumindest einen ersten Fenster jeweils entgegengesetzt liegenden Enden verkürzt werden. Im Vergleich mit Radien auf einem Teilkreis mit gleicher Winkelteilung verschiebt sich hierdurch jeweils die radiale Mittellinie der genannten übrigen Fenster. Dies ist möglich, indem auf die bei der bisher üblichen gleichen Teilung der Fenster über dem Umfang mögliche beliebige Montagefolge der Kugeln, d. h. auf das mögliche Freischwenken eines jeden Kugelfensters durch Einstellen des Montagewinkels in jeder beliebigen Ebene bei einge­ setzten Kugeln verzichtet wird. Die erfindungsgemäßen Gelenke sind vielmehr in einer solchen Reihenfolge zu montieren, daß in das zumindest eine erstgenannte Fenster die Kugel als letzte unter Einstellen des Montagewinkels in der Ebene, die dieses Fenster enthält, eingesetzt wird. Dieses Einsetzen kann in Fenstermitte erfolgen, so daß die Fensterlänge dieser Fenster auf den reinen Arbeitsbereich beschränkt werden kann. Das heißt, an beiden Enden kann die Fensterlänge um den bisher nur für Zwecke der Montage vorgesehenen Bereich verkürzt werden. Wird das Gelenk in einer anderen als in der durch die genannten Fenster vor­ gegebenen Ebene gebeugt, so beschränkt die auf den Ar­ beitsbereich begrenzte Fensterlänge die darüber hinaus­ gehende Beugung des Gelenkes. Kugeln in den übrigen Fen­ stern können somit nicht als letzte montiert oder als erste demontiert werden.
Bei dem Einstellen des Montagewinkels in der durch das zumindest eine erste Fenster vorgegebenen Ebene wandern die Kugeln in den anderen Käfigfenstern in eine bekannte bestimmte Richtung, nämlich auf die Beugungsebene zu. Nur in dieser Richtung benötigen die übrigen Käfigfenster eine über den Arbeitsbereich der Kugeln hinausgehende größere Länge zum Zwecke des Einstellen des Montagewinkels. In der jeweils entgegengesetzten Richtung kann die Länge dieser Fenster - bezogen auf eine Mittelposition bei gestrecktem Gelenk - auf den Arbeitsbereich für den Arbeitswinkel des Gelenks beschränkt sein, bzw. auf die erforderliche Länge, die zum Montieren einer weiteren Kugel in eines der übri­ gen Fenster notwendig ist, wenn ein Teil der Kugeln der übrigen Fenster bereits montiert sind.
Eine erste bevorzugte Ausführung geht dahin, daß die ein­ zelnen Käfigfenster untereinander gleiche Umfangslänge haben. Dies ist in fertigungstechnischer Hinsicht beson­ ders günstig, da die Fenster mit einem einzigen Werkzeug hergestellt werden können. Die Fensterlänge ist dann im Hinblick auf die größtmögliche Verkürzung dadurch be­ stimmt, daß die Fensterlänge der sogenannten übrigen Fen­ ster in Umfangsrichtung jeweils dem Kugeldurchmesser zu­ züglich der Länge des Weges der Kugeln bei unter dem maxi­ malen Arbeitswinkel αA umlaufenden Gelenk zuzüglich der zum Verschieben der Kugeln bei der Montage erforderlichen Länge, bei Einstellung des Montagewinkels αM in der Ebene durch die Radialachse XA entspricht, wenn in die genannten übrigen Fenster die Kugeln bereits sämtlich eingesetzt sind und als letztes in das zumindest eine erste Fenster die zumindest eine zugehörige Kugel einge­ setzt wird.
Nach einer zweiten bevorzugten Abwandlung ist es auch möglich, daß die Länge des zumindest einen sogenannten ersten Fensters in Umfangsrichtung geringer ist als die der übrigen Fenster. Die höchstmögliche Verkürzung dieses zumindest einen Fensters ist dann dadurch gegeben, daß die Länge des zumindest einen ersten Fensters in Umfangsrich­ tung dem Kugeldurchmesser zuzüglich der Länge des Weges der Kugeln bei unter dem maximalen Arbeitswinkel αA umlau­ fenden Gelenk entspricht.
Hierbei können in günstiger Weise im Hinblick auf die Festigkeit die Stege zwischen den Fenstern untereinander in Umfangsrichtung gleich lang sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen dargestellt. Hierbei zeigt
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Gelenk bei Beugung unter dem maximalen Arbeitswinkel αA,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Gelenk bei Beugung unter dem Montagewinkel αM,
Fig. 3a einen Käfig nach dem Stand der Technik mit Kugeln in einer Montageposition;
Fig. 3b einen Käfig eines erfindungsgemäßen Gelenkes ana­ log Fig. 3a in einer ersten Ausführung;
Fig. 3c einen Käfig eines erfindungsgemäßen Gelenkes ana­ log Fig. 3a in einer zweiten Ausführung.
In den Fig. 1 und 2, die nachstehend gemeinsam be­ schrieben werden, ist ein Rzeppa-Festgelenk dargestellt. Es ist ein Gelenkaußenteil 1 mit ersten Kugelbahnen 2 auf seiner Innenoberfläche 3 sowie ein Gelenkinnenteil 4 mit zweiten Kugelbahnen 5 auf seiner Außenoberfläche 6 ge­ zeigt. In den paarweise zugeordneten Kugelbahnen 2, 5 ist eine Kugel 7 gehalten, die in einem Fenster 8 eines Kugel­ käfigs 9 in der Schnittebene spielfrei geführt wird. Die Schnittebene ist zugleich die Beugungsebene des Gelenkes in der dargestellten Stellung, die durch die Achse X1 des Gelenkaußenteils und die Achse X2 des Gelenkinnen­ teils aufgespannt wird. Der Käfig hält die Kugelmittel­ punkte MK aller Kugeln in einer gemeinsamen Ebene E, die senkrecht zur Zeichenebene steht. Der Käfig 9 ist mit seiner Außenoberfläche 10 in der Innenoberfläche 3 des Gelenkaußenteils 1 und mit seiner Innenoberfläche 11 auf der Außenoberfläche 6 des Gelenkinnenteils geführt. Die Steuerung des Käfigs 9 auf die winkelhalbierende Ebene erfolgt mittels der durch den Bahnkontaktwinkel auf diese Ebene gezwungenen Kugeln 7, wenn diese sich im Bereich der dargestellten Beugungsebene befinden.
In Fig. 1 ist das Gelenk unter dem höchstmöglichen Ar­ beitswinkel αA dargestellt. Die Ebene E aller Kugel­ mittelpunkte MK ist hierbei um den halb so großen Win­ kel βA gegenüber der Mittelebene EA des Gelenkaußen­ teils auf die Winkelhalbierende gestellt. Hierbei wird die Kugel 7 in der Beugungsebene noch in den Bahnen 2, 5 von Gelenkaußenteil 1 und Gelenkinnenteil 4 sowie vom Käfig­ fenster 8 des Käfigs 9 so gehalten, daß sie nicht radial austreten kann.
In Fig. 2 ist das Gelenk unter dem Montagewinkel αM dargestellt. Die Ebene E′ aller Kugelmittelpunkte MK hat sich gegenüber der Mittenebene EA des Gelenkaußenteils um den Winkel βM bewegt, der dem halben Winkel αM entspricht. In dieser Position kann die Kugel 7 radial aus dem Käfigfenster 8 austreten, bzw. in dieser Position montiert werden, wobei sie durch das Gelenkaußenteil nicht gehalten bzw. gehindert wird.
In Fig. 3a ist der Käfig 9 als Einzelheit im Schnitt gezeigt, wobei die Position der Kugeln 7 zum Käfig der­ jenigen in Fig. 2 entspricht. Es sind sechs Käfigfenster 8 auf einem gleichmäßigen Teilkreis mit einer 60°-Teilung dargestellt. Die einzelnen Fenster 8 sind durch radiale Mittellinien X bezeichnet, die mit Radien RT gleicher Teilung übereinstimmen. Eine Radialachse XA definiert eine senkrecht zur Zeichenebene stehende Beugungsebene, während die darauf senkrecht stehende und durch die Käfig­ mitte gehende Querachse XQ die zugehörige Beugeachse definiert. Die obere Kugel 7 1 und die gegenüberliegende Kugel 7 2 sollen als in der Beugungsebene liegende Kugeln angenommen werden. Sie sind in symmetrischer Position in Bezug auf die ersten Käfigfenster 8 1, 8 2 dargestellt, deren radiale Mittellinien X1, X2 mit der Radialachse XA zusammenfallen. Die übrigen Kugeln 7 n sind in Bezug auf die entsprechenden übrigen Käfigfenster 8 n in einer Stellung dargestellt, die sie einnehmen, wenn der Montage­ winkel αM erreicht ist. Sie sind hierbei gegenüber der Mittelachse Xn in ihrem Fenster 8 n um den Winkelbe­ trag Δ verschoben. Hieraus ergibt sich die halbe Fenster­ länge aller Fenster mit LM.
Mit gestrichelten Linien sind die Positionen dargestellt, die die Konturen der übrigen Kugeln 7 erreichen, wenn der Arbeitswinkel αA des Gelenkes angenommen wird. In dieser Position hat die Kugelkontur von der Mittelachse Xn des Käfigfensters 8 n den Abstand LA, der den halben Arbeitsbereich bildet.
Wie am Käfigfenster 8 1 mit der Kugel 7 1 dargestellt, ist somit die Umfangslänge jedes Fensters 2LM.
In den Fig. 3b, 3c sind wiederum eine Radialachse XA und eine Querachse XQ gekennzeichnet, von denen erstere in der Beugungsebene liegt und letztere die Beugungsachse definiert. Ausgehend von der Radialachse XA sind Radien RT mit gleichem Teilungswinkel entsprechend der Zahl der Fenster eingezeichnet. Die radialen Mittellinien X1, X2 erster Fenster stimmen mit der Radialachse XA über­ ein. Die radialen Mittellinien der übrigen Fenster weichen von den entsprechenden Radien RT gleicher Teilung ab.
In Fig. 3b sind die übrigen Fenster 8 n jeweils bezogen auf die ursprüngliche Länge gemäß Fig. 3a an ihren paar­ weise benachbarten Enden jeweils um den Betrag LM-LA verkürzt, wobei in dieser Richtung, ausgehend von dem Radius RT gleicher Teilung nur die Länge LA des halben Arbeitsbereiches übrig bleibt, während die für die Ein­ stellung des Montagewinkels erforderliche Länge LM aus­ gehend von dem Radius RT gleicher Teilung nur noch für die Beugung in der dargestellten Form in entgegengesetzter Richtung vorgesehen ist. Die Gesamtfensterlänge dieser Fenster 8 n ist LA + LM. Es ergibt sich hieraus eine neue Mittellinie Xn für die jeweiligen Käfigfenster, die von den Radien RT gleicher Teilung abweicht, während die Mittellinien X1, X2 der ersten beiden Fenster unverän­ dert bleiben.
Die Länge der Fenster 8 1, 8 2 ist symmetrisch zur un­ veränderten Mittelachse X1, X2 beidseitig um jeweils (LM-LA)/2 verkürzt. Nach dieser Ausführung ergeben sich in Umfangsrichtung ungleich verteilte, jedoch unter­ einander gleichlange Fenster. Dies hat den Vorteil, daß diese mit gleichem Stanzwerkzeug hergestellt werden können.
In Fig. 3c sind die übrigen Fenster 8 n für die übrigen Kugeln 7 n in gleicher Weise verkürzt, wie in Fig. 3b. Auch hierbei ist wiederum die Gesamtfensterlänge LA + LM, wobei sich die neue Mittellinie Xn ergibt, die von den Radien RT gleicher Teilung abweicht, während die Mittellinien X1, X2 der ersten beiden Fenster unver­ ändert bleiben. Die beiden ersten Fenster 8 1 und 8 2 mit ihrer unveränderten Mittellinien X1, X2 sind dage­ gen jeweils an beiden Enden um den Beitrag LM - LA auf insgesamt 2 LA verkürzt. Hiermit ist das geringstmög­ liche Maß der Länge für diese Fenster erreicht. Dies hat den Vorteil, daß nunmehr alle Stege zwischen den Kugeln in Umfangsrichtung gleichmäßig vergrößert sind und somit gleiche Festigkeit aufweisen. Hierbei ist allerdings die Fensterlänge ungleich.

Claims (7)

1. Gleichlaufkugeldrehgelenk mit
einem Gelenkaußenteil (1) mit ersten Kugelbahnen (2) in seiner Innenausnehmung,
einem Gelenkinnenteil (4) mit zweiten Kugelbahnen (5) auf seiner Außenoberfläche,
wobei die ersten und die zweiten Bahnen (2, 5) über dem Umfang gleich verteilt sind und sich paarweise gegenüberliegen und jeweils eine drehmomentübertragen­ de Kugel (7) aufnehmen,
sowie einem Kugelkäfig (9), der die Kugeln in einer gemeinsamen Ebene E hält, mit einer der Anzahl der Kugeln entsprechenden Anzahl von Fenstern (8) in denen die Kugeln (7) jeweils in Umfangsrichtung verschiebbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lage der Fenster (8) Im Kugelkäfig (9) über den Umfang ungleich verteilt ist, wobei im Querschnitt durch den Kugelkäfig (9) - unter Bezugnahme auf eine Radialachse XA durch den Käfig, die mit der radialen Mittellinie X1, X2 zumindest eines ersten Fensters (8 1, 8 2) zusammenfällt, und auf eine Querachse XQ durch den Käfig, die senkrecht auf der Radial­ achse XA steht und durch die Käfigmitte geht - die jeweils kürzesten Winkelabstände der radialen Mittel­ linien Xn der übrigen Fenster (8 n) zu der Radial­ achse XA - im Vergleich mit den Winkelabständen von Radien RT eines der Zahl der Fenster entsprechenden Teilkreises mit gleicher Winkelteilung, der von der Radialachse XA ausgeht - verringert sind und die jeweils kürzesten Winkelabstände der radialen Mittel­ linien Xn der übrigen Fenster (8 n) zu der Quer­ achse XQ - im Vergleich mit den Winkelabständen der genannten Radien RT des der Zahl der Fenster ent­ sprechenden Teilkreises mit gleicher Winkelteilung - vergrößert sind.
2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand einer zweiten Mittellinie X2 zur Radialachse XA Null bleibt, wenn ein zweiter Radius RT des Teilkreises mit der Radialachse zusammenfällt (Kugelzahl 4, 6, 8 . . . ).
3. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand zweier Mittellinien zur Quer­ achse XQ Null bleibt, wenn zwei Radien RT des Teil­ kreises mit der Querachse zusammenfallen (Kugelzahl 4, 8, 12 .
4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aller Fenster (8 1, 8 2, 8 n) in Umfangsrichtung untereinander gleich ist.
5. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zumindest einen ersten Fensters (8 1, 8 2) in Umfangsrichtung geringer ist als die Länge der übrigen Fenster (8 n).
6. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zumindest einen ersten Fensters (8 1, 8 2) in Umfangsrichtung dem Kugeldurchmesser zuzüglich der Länge des Weges der Kugeln (7 1, 7₂) bei unter dem maximalen Arbeitswinkel αA umlaufenden Gelenk entspricht.
7. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der übrigen Fenster (8 n) in Umfangs­ richtung jeweils dem Kugeldurchmesser zuzüglich der Länge des Weges der Kugeln bei unter dem maximalen Arbeitswinkel αA umlaufenden Gelenk zuzüglich der zum Verschieben der Kugeln (7 n) bei der Montage erforderlichen Länge, bei Einstellung des Montage­ winkels αM in der Ebene durch die Radialachse XA entspricht, wenn in die genannten übrigen Fenster (8 n) die Kugeln (7 n) bereits sämtlich eingesetzt sind und als letztes in das zumindest eine erste Fen­ ster (8 1, 8 2) die zumindest eine zugehörige Kugel (7 1, 7 2) eingesetzt wird.
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