DE4301178A1 - Kreuzzapfengelenk einer zur Übertragung hoher Drehmomente geeigneten Gelenkwelle - Google Patents
Kreuzzapfengelenk einer zur Übertragung hoher Drehmomente geeigneten GelenkwelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kreuzzapfengelenk für eine zur
Übertragung hoher Drehmomente geeignete Gelenkwelle gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein Kreuzzapfengelenk
dieser Gattung ist bekannt aus DE 36 44 204 C2.
Beim Einsatz derartiger Gelenkwellen im Großmaschinenbau
sind die Gelenke je nach Einsatzfall nicht nur hohen
Drehmomenten, sondern auch im beträchtlichem Maße Quer
kräften ausgesetzt. Die Kreuzzapfengelenke sind deshalb zur
Übertragung der Umfangskräfte mit Radial- und zur Aufnahme
der auftretenden Querkräfte mit Axiallagern ausgestattet.
Im allgemeinen sollen Kreuzzapfengelenke neben einer hohen
Drehmomentübertragungsfähigkeit bei langer Lagerlebensdauer
möglichst wenig und einfach gestaltete Bauteile aufweisen
und über einen geringen Montageaufwand verfügen. Die
Übertragung hoher Drehmomente bei gleichzeitig langer
Lagerlebensdauer bedingt den Einsatz von Lagern mit
erhöhter Tragfähigkeit und damit größere Lagerabmessungen.
Diese erweisen sich im Hinblick auf den zur Verfügung
stehenden begrenzten Bauraum als problematisch.
Aus DE 36 44 204 C2 ist bekannt, daß zur Gewinnung von
Bauraum für das Radiallager das Axiallager von seiner
konventionellen Einbaulage an der Zapfenwurzel an die
Stirnfläche des Zapfens versetzt wird. Das Axiallager
stützt sich dabei an der mit dem Zapfen eine Einheit
bildenden Lagerbuchse des Radiallagers und der Innen
fläche des Lagerdeckels ab. Die Stirnfläche der Lager
buchse des Radiallagers bildet dabei mit der Stirnfläche
des Zapfens eine Fläche d. h. sie liegt mit der Stirnfläche
des Zapfens in einer Ebene, durch die der Bauraum für das
Radiallager, der bereits durch die Gelenkgabel- und
Lagerdeckelgestaltung in vertikaler Richtung begrenzt wird,
weiter eingeschränkt wird.
Die vom Zapfenkreuz auf die Gelenkgabel zu übertragende
Querkraft, die sich bei entsprechender Winkelstellung der
Gelenkwelle als Axialkraft in Richtung der Zapfenachse von
der Gelenkachse weg auswirkt, geht von der Stirnseite des
Zapfens über die innere Laufbahn des Axiallagers und die
Axiallagerrollen auf die andere Laufbahn am Lagerdeckel
über. Dabei wird die Kraft aber nicht auf dem kürzesten Weg
über den Lagerdeckel mittels Schrauben oder über den Schaft
des mit der Lagerdeckelinnenfläche verbundenen
Radiallageraußenringes mittels Sicherungsringen auf die
Gelenkgabel übertragen, sondern wird von dem einen, in
Kraftrichtung liegenden und mit der Gelenkgabelhälfte nicht
fest verbundenen Lagerdeckel in den mit diesem verbundenen
Anker geleitet. Der Anker ist gleichfalls mit dem
Lagerdeckel auf der gegenüberliegenden Gelenkgabelhälfte
verbunden. Die Kraft wird dort mit Wirkungsrichtung zur
Gelenkachse hin an der Gelenkgabel abgestützt. Der
Lagerdeckel kann sich dabei auch an der Stirnseite des
Radiallageraußenringes abstützen, wenn dieser so gestaltet
ist, daß er von außen her in die Lagerbohrung bis zu einem
Anschlag einschiebbar ist. Eine gegen den einen Lagerdeckel
wirkende Querkraft wird somit nicht von demjenigen
Gelenkgabelauge aufgenommen, gegen das die Querkraft von
der Gelenkachse her gerichtet ist, sondern vom
gegenüberliegenden Gelenkgabelauge. In dieser
Kreuzzapfengelenkausführung wird das belastete Lager von
Verformungen im Bereich der Lagerbohrung in der Gelenkgabel
freigehalten. Dadurch wird ein optimales Tragverhalten im
Axiallager gewährleistet.
Es ist bekannt, daß die Länge des Ankers so bemessen ist,
daß beide Axiallager nach der Befestigung der Deckel an dem
Anker unter einer definierten Vorspannung stehen. Diese
Vorspannung trägt dazu bei, daß bei einer auftretenden
Querbeschleunigung ohne Drehmoment das Axialspiel in den
Radiallagern, d. h. die Relativbewegung der Wälzkörper
gegenüber den Radiallagerlaufbahnen in Richtung der
Zapfenachse weitgehendst vermieden wird.
Bei Wirken einer Axialkraft verhält sich der Anker ähnlich
einer Dehnschraube. In Kraftwirkungsrichtung entlang der
Zapfenachse und von der Gelenkachse weg über das Axiallager
kommt es aufgrund der kraftbedingten Längung des Ankers zu
einer axialen Verschiebung des Lagerdeckels im Gabelauge.
Gleichzeitig wird der auf der gegenüberliegenden
Gabelhälfte abgestützte Lagerdeckel gegen das Gabelauge
bzw. die Gelenkgabelhälfte gedrückt. Aufgrund der axialen
Verschiebung des Lagerdeckels, der Anpreßung des
Lagerdeckels an der gegenüberliegenden Gelenkgabelhälfte
gegen die Gelenkgabel zur Einleitung der Axialkräfte auf
die Gelenkgabel und des ständigen Wechsels dieser
Betriebszustände an einem Lagerdeckel sind die Stirnseite
und die Lagerdeckelinnenfläche in den Randbereichen starkem
Verschleiß unterworfen. Kontaktkorrosion,
Dichtungsverschleiß und Abrieb führen zu unerwünschtem
Spiel.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Kreuzzapfengelenk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1
derart zu gestalten, daß eine Verringerung der Bauteil
anzahl und des Montageaufwandes sowie eine Erhöhung der
Lagerlebensdauer bei gleichzeitiger Erhöhung der durch die
Gelenkwellenanordnung zu übertragenden Momente durch
Erhöhung der Tragfähigkeit - vor allem der dynamischen
Tragfähigkeit - und somit eine Vergrößerung des zur
Verfügung stehenden Lagerbauraumes erreicht wird.
Gleichzeitig soll die konstruktive Gestaltung so ausgeführt
sein, daß die Axialkräfte immer mit Wirkungsrichtung zur
Gelenkachse hin an den Gelenkgabelhälften abgestützt
werden, d. h., daß axiale Sicherungen der einzelnen
Lagerringe entfallen können und keine
Kraftübertragungselemente zur Übertragung der von der
Gelenkachse weg gerichteten Axialkräfte auf dem kürzesten
Weg auf die Gelenkgabel notwendig sind. Das bedeutet, daß
die Axialkraft immer als Druckkraft in die Gelenkgabel
geleitet wird. Die durch den Zuganker aus DE 36 44 204
gewährleistete Funktion (Querkraftabstützung an dem der
Kraftrichtung gegenüberliegenden Gelenkgabelauge) und
definierte Vorspannung der Axiallager soll durch einfachere
konstruktive Mittel realisiert werden, d. h. eine
Kreuzzapfengelenkausführung mit wenigen und einfach
herstellbaren Bauteilen, die zudem noch leicht montierbar
sind.
Der aufgrund der axialen Verschiebung auftretende
Verschleiß an den Stirnflächen der Lagerdeckel und im
Radiallager soll reduziert werden.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruches 1 gelöst, durch die man folgendes erreicht:
Durch Versetzen des Axiallagers in die Zapfenbohrung kann
der Bund der Lagerbuchse des Radiallagers viel länger
gestaltet und dadurch zusätzlicher Platz für Wälzkörper
gewonnen werden, der aber nach wie vor noch durch die
Gabel- und Lagerdeckelausführung in vertikaler Richtung
begrenzt wird.
Die in Richtung der Zapfenachse von der Gelenkachse weg
gerichteten Axialkräfte bewirken aufgrund der konstruktiven
Ausführung der Lageranordnung eine Entlastung des in dieser
Richtung liegenden Axiallagers und werden an der
Gelenkgabelhälfte, die der in Kraftrichtung liegenden
Gelenkgabelhälfte gegenüberliegt, abgestützt.
Die Axiallager weisen in ihrer Einbaulage bereits eine
definierte Vorspannung auf, die so gewählt ist, daß ein
Axialspiel bei Entlastung des Axiallagers unter normalen
Betriebsbedingungen weitgehendst vermieden wird, d. h., daß
die Vorspannung eines Lagers bei dessen Entlastung nicht
aufgehoben wird.
Der Verschleiß an den Stirnflächen der Lagerdeckel und im
Radiallager aufgrund auftretender axialer Verschiebungen
wird im Vergleich zu bekannten Kreuzzapfengelenklagerungen
reduziert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
in der Verringerung des Montageaufwandes.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung soll
nachfolgend erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Kreuzgelenk in
einer durch die Zapfenachse gelegten und senkrecht
zur Gelenkachse stehenden Ebene,
Fig. 2 Lagerdeckelausführung mit Darstellung der an der
Gelenkgabel und den einzelnen Lagern auftretenden
Verformungen.
Das Kreuzzapfengelenk gemäß Fig. 1 weist eine Gelenkgabel 1
auf, in deren Lagerbohrung 2 ein Zapfenkreuz 3 mittels
einer Wälzlagerung drehbar gelagert ist. Die Zapfenachsen
4 können dabei in einer senkrechten Ebene oder in zwei
zueinander parallelen Ebenen versetzt angeordnet werden.
Die Wälzlagerung für jeden Zapfen besteht aus einem
Radiallager 5 mit einem Außenring 6, den Rollen 7 und einem
als Lagerbuchse mit Bund ausgeführten Innenring 8 sowie
einem Axiallager 9, das innerhalb einer Bohrung an der
Stirnseite des Zapfens (Zapfenbohrung) 10 angeordnet ist.
Ein Bund der Lagerbuchse 8, der sich radial über die
Innenkante der Zapfenbohrung 10 hinaus gegen die
Zapfenachse erstreckt, weist eine Bundfläche 11 auf, die
dem Mittelpunkt der Gelenkachse 19 zugewandt ist. Die
Rollen 12 des Axiallagers 9 wälzen sich auf dieser
Bundfläche (Lauffläche) 11 und einer äußeren Lauffläche 13,
die von einem mit dem Lagerdeckel verbundenen Teil 14
gebildet wird, ab. Die Bundfläche 11 ragt vorzugsweise in
die Zapfenbohrung hinein, kann aber auch als eine
freitragende Verlängerung der Buchsenauflagefläche mit der
Zapfenstirnseite ausgeführt sein.
Die Lagerbuchse mit Bund 8 ist auf den Zapfen aufgepreßt
und zur Kraftübertragung zusätzlich mittels
Schraubverbindungen 15 am Zapfen befestigt. Der Außenring
des Axiallagers 14 ist mittels Schraubverbindungen mit dem
Lagerdeckel 16, der stirnseitig im äußeren Bereich mit der
Fläche 17 am Außenring des Radiallagers 5 anliegt,
verbunden.
Der Außenring des Radiallagers 6 des Radiallagers 5 ist
entlang der Zapfenachse in Richtung der Gelenkachse 19 bis
zu einem Anschlag einschiebbar. Dieser Anschlag kann wie in
der Fig. 1 dargestellt vorzugsweise ein von der Zapfenachse
wegweisender Bund 18 am Außenring sein, der an der
Gelenkgabel zum Anliegen kommt.
Die durch die Querbeschleunigung entstehenden Axialkräfte,
die in Richtung der Zapfenachse von der Gelenkachse weg
wirken, führen zu einer Entlastung des in dieser Richtung
liegenden Axiallagers und zu einer Belastung des in
Zapfenachsrichtung entgegen der Wirkungsrichtung der
Axialkräfte liegenden Axiallagers. Das entlastete Lager
kann in diesem Betriebszustand als passives Lager und das
belastete als aktives Lager bezeichnet werden. In dieser
Ausführung bewirkt eine in Richtung der Zapfenachse von
der Gelenkachse weg wirkende Axialkraft ein Aufheben der an
den Schraubverbindungen 15 in dieser Richtung wirkenden
Zugkräfte und damit eine axiale Verschiebung der Bundfläche
11 des Axiallagers. Es erfolgt keine Kraftübertragung über
dieses Axiallager. Gleichzeitig werden die Schrauben der
Schraubverbindung 15 an der gegenüberliegenden
Gelenkgabelhälfte mehr auf Zug beansprucht. Es erfolgt eine
Addition der in der Schraubverbindung vorherrschenden
Zugkraft und der am Zapfen wirkenden Zugkraft, die zu einer
Druckbeanspruchung des Bundes der Lagerbuchse 8 führt. Die
Axialkraft stützt sich über den auf Druck beanspruchten
Bund der Lagerbuchse 8, das Axiallager 9, einem mit dem
Lagerdeckel 16 verbundenen Bauteil, das als Außenring 14
des Axiallagers 9 fungiert, den Lagerdeckel 16, der
stirnseitig im äußeren Bereich mit der Fläche 17 am
Außenring des Radiallagers 5 anliegt auf die Gelenkgabel
ab.
Die Verformung der drehmomentübertragenden Bauteile eines
Kreuzzapfengelenkes ist in Umfangsrichtung der Kraft so
extrem, daß es in der Lagerung zu einer ungleichmäßigen
Lastverteilung kommt und nur ein Bruchteil der möglichen
Tragzahl genutzt werden kann. Die fehlende Planparallelität
der Axiallagerlaufbahnen bewirkt eine vorzeitige Ermüdung
der Laufbahnen und Wälzkörper und/oder plastische
Verformungen mit ihren Folgen (Pittings ü.ä.). Andererseits
werden die zugesicherten dynamischen und statischen
Tragzahlen der Lager durch die Lagerhersteller nur einer
steifen Lageranschlußkonstruktion garantiert. Um eine
Planparallelität der Laufbahnen des Axiallagers bei
zusätzlich wirkender Umfangskraft zu gewährleisten ist in
der erfindungsgemäßen Lösung der Lagerdeckel 16 nach
DE 36 44 204 in Fig. 2 in der Zwei-Zapfenebene biegesteif
und in der Vier-Zapfenebene, in der die Kraft in
Umfangsrichtung angreift, nachgiebig ausgeführt.
Claims (2)
1. Kreuzzapfengelenk einer zur Übertragung hoher Dreh
momente geeigneten Gelenkwelle,
- 1.1. mit zwei Gelenkgabeln zum Lagern der Zapfen eines Zapfenkreuzes (3);
- 1.2. jeder Zapfen des Zapfenkreuzes (3) ist mittels eines Radiallagers (5) und eines separaten Axiallagers (9) im zugeordneten, mit einem Lagerdeckel (16) versehenen Gabelauge (2) gelagert;
- 1.3. die Lagerbuchse (8) eines jeden Radiallagers (5) weist einen Bund auf, der gegen die Zapfenachse (4) gerichtet ist;
- 1.4. der Zapfen weist eine stirnseitige Bohrung (10) auf (Zapfenbohrung);
- 1.5. der Bund erstreckt sich über die Innenkante der
Zapfenbohrung hinaus gegen die Zapfenachse (4);
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - 1.6. das Axiallager (9) ist innerhalb der Zapfenbohrung (10) angeordnet;
- 1.7. die eine Lauffläche (11) ist aus derjenigen Bundfläche gebildet, die dem Mittelpunkt der Gelenkachse (19) zugewandt ist;
- 1.8. die andere Lauffläche (13) ist aus einem mit dem Lagerdeckel (16) verbundenen Bauteil (14) gebildet.
2. Kreuzzapfengelenk nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß der Lagerdeckel (16) in
Umfangsrichtung der Kraft nachgiebig (niedriges
Widerstandsmoment) und in axialer
Kraftwirkungsrichtung steif (hohes
Widerstandsmoment) ausgeführt ist.
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