DE4301178C2 - Kreuzzapfengelenk einer zur Übertragung hoher Drehmomente geeigneten Gelenkwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreuzzapfengelenk für eine zur Übertragung hoher Drehmomente geeignete Gelenkwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Kreuzzapfengelenke dieser Gattung sind beispielsweise bekannt aus

• 1) DE 36 44 204 C2
• 2) GB 22 49 818 A.

Beim Einsatz zur Übertragung hoher Drehmomente geeigneter Gelenkwellen im Großmaschinenbau sind die Gelenke je nach Einsatzfall nicht nur hohen Drehmomenten, sondern auch in beträchtlichem Maße Querkräften 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 weitgehenst 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.

Die GB 22 49 818 A offenbart eine Kreuzzapfengelenkausführung, bei der das Axiallager von seiner konventionellen Einbaulage an der Zapfenwurzel in eine an der Stirnseite des Zapfens angeordnete Bohrung versetzt ist. Die Anordnung des Axiallagers in der Zapfenbohrung bietet den Vorteil, daß der Bund der Lagerbuchse des Radiallagers viel länger gestaltet und dadurch zusätzlicher Platz für die Wälzkörper des Radiallagers gewonnen werden kann. Zur Gewährleistung eines optimalen Tragverhaltens der Axiallager ist in der Lageranordnung ein sich unter Belastung selbsttätig elastisch verstellender Stützring vorgesehen. In dieser Ausführung werden die von der Gelenkachse weg gerichteten Quer- bzw. Axialkräfte in die Gelenkgabelhälfte eingeleitet, gegen die die Axialkraft auch gerichtet ist. Nachteile dieser Ausführung sind ein erhöhter Herstellungs-, Montage- und Wartungsaufwand, der sich in einer Kostensteigerung niederschlägt. Auch ist die Realisierung eines optimalen Tragverhaltens des Axiallagers von der Auslegung des Stützringes abhängig.

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 C2 gewährleistete Funktion (Querkraftabstützung an der Gelenkgabelhälfte, die der in Kraftrichtung liegenden gegenüberliegt) 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 bei den konventionellen Ausführungen auftretende Verschleiß an den Stirnflächen der Lagerdeckel und im Radiallager soll reduziert werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Das Versetzen des Axiallagers in eine Bohrung an der Stirnseite des Zapfens und die erfindungsgemäße konstruktive Gestaltung der gesamten Lageranordnung bewirkt, daß die in Richtung der Zapfenachse von der Gelenkachse weg gerichteten Axialkräfte an der Gelenkgabelhälfte, die der in Kraftrichtung liegenden Gelenkgabelhälfte gegenüberliegt, abgestützt werden. Das in Wirkungsrichtung der Axialkraft liegende Axiallager ist entlastet. Die Axialkräfte werden als Druckkräfte in die Gelenkgabel geleitet.

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 weitgehenst 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 Fertigungs- und Montageaufwandes aufgrund der geringen Anzahl und der einfachen Gestaltung der Bauteile.

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend anhand von Figuren erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Kreuzgelenk in einer durch die Zapfenachse gelegten und senkrecht zur Gelenkachse stehenden Ebene,

Fig. 2a und 2b Lagerdeckelausführung mit Darstellung der an der Gelenkgabel und den einzelnen Lagern auftretenden Verformungen in der Zwei-Zapfenebene und in der Vier-Zapfenebene.

Das Kreuzzapfengelenk gemäß Fig. 1 umfaßt eine Gelenkgabel 1, bestehend aus zwei Gelenkgabelhälften 21 und 22, in deren Lagerbohrungen 2 und 23 ein Zapfenkreuz 3 jeweils mittels einer Wälzlagerung drehbar gelagert ist. Für die Ausführung der Lagerung in den beiden Gelenkgabelhälften 21 und 22 werden in der folgenden Beschreibung jeweils die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet. 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 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 10 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 14 des Axiallagers 9 ist mittels Schraubverbindungen mit dem Lagerdeckel 16, der stirnseitig im äußeren Bereich mit der Fläche 17 am Außenring es Radiallagers 5 anliegt, verbunden.

Der Außenring 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 19 weg, hier beispielsweise in Richtung der Gelenkgabelhälfte 21, wirken, führen zu einer Entlastung des in dieser Richtung liegenden Axiallagers 9 und zu einer Belastung des in Zapfenachsrichtung entgegen der Wirkungsrichtung der Axialkräfte auf der Seite der Gelenkgabelhälfte 22 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 4 von der Gelenkachse 19 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 22 mehr auf Zug beansprucht. Es erfolgt eine Addition der in der Schraubverbindung 15 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 6 des Radiallagers 5 anliegt auf die Gelenkgabelhälfte 22 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 u. a.). 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 C2 in der Zwei-Zapfenebene (Fig. 2a) biegesteif und in der Vier-Zapfenebene (Fig. 2b), in Umfangsrichtung bzw. Umfangsrichtung des Gelenkes, nachgiebig ausgeführt.

Die Fig. 2a verdeutlicht schematisch das Kreuzzapfengelenk in der Ansicht von rechts entsprechend Fig. 1. Die Gelenkachse verläuft im dargestellten Fall durch den Schnittpunkt der Zapfenachsen 4. Beide Zapfenachsen liegen in einer Ebene. Der Lagerdeckel 16 ist in dieser Ebene, d. h. in Wirkungsrichtung der Axialkraft, biegesteif ausgebildet.

Die Fig. 2b verdeutlicht schematisch das Verhalten des Lagerdeckels 16 bei Umfangskraftwirkung entsprechend der Ansicht I-I aus Fig. 2a, wenn der Lagerdeckel 16 in dieser Richtung, d. h. in Umfangsrichtung des Gelenkes, elastisch bzw. nachgiebig ausgeführt ist.

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);
• 1.6. das Axiallager (9) ist innerhalb der Zapfenbohrung (10) angeordnet;
  gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
• 1.7. die eine Lauffläche (11) des Axiallagers ist aus derjenigen Bundfläche gebildet, die der Gelenkachse (19) zugewandt ist;
• 1.8. die andere Lauffläche (13) ist an einem mit dem Lagerdeckel (16) verbundenen Bauteil (14) gebildet.

2. Kreuzzapfengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerdeckel (16) in Umfangsrichtung des Gelenkes nachgiebig (niedriges Widerstandsmoment) und - bezogen auf die Gelenkachse - in Wirkungsrichtung der Axialkräfte steif (hohes Widerstandsmoment) ausgeführt ist.