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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft schüttelfreie
verschiebbare Tripode-Gleichlauf-Universalgelenke.
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Ein
Typ eines solchen Gleichlauf-Universalgelenks umfaßt ein erstes
Drehelement mit einer Drehachse, drei Zapfen, die sich von dem ersten
Element aus erstrecken, eine Rolle, welche direkt oder indirekt
an einer sphärischen
Fläche
an jedem Zapfen angebracht ist, wobei diese Fläche vom Zapfen selbst oder
von einem Element, das drehbar an dem Zapfen angebracht ist, bereitgestellt
wird, wobei die Rolle eine zylindrische Bohrung enthält, die
mit der sphärischen
Fläche
dergestalt in Eingriff ist, daß jede Rolle
relativ zu ihrem stützenden
Zapfen sich drehen, sich neigen und gleiten kann, wobei die Mitten
der sphärischen
Flächen
an allen Zapfen in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der Drehachse
verläuft,
ein zweites Drehelement mit einer Drehachse, wobei in dem zweiten
Drehelement drei Nuten dergestalt ausgebildet sind, daß sie sich
parallel zu der Drehachse des zweiten Drehelements erstrecken, wobei
jede Rolle mit einer der Nuten in Eingriff ist, wobei der Eingriff
zwischen jeder Rolle und ihrer zugehörigen Nut in einer solchen
Weise erfolgt, daß die
Ausrichtung der Rolle relativ zu dem zweiten Element allein durch diesen
Eingriff bestimmt ist. In einem solchen Gelenk gibt es eine relative
radiale Bewegung zwischen der sphärischen Fläche des Zapfens und der Rolle.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Eine
bekannte Form eines schüttelfreien
verschiebbaren Tripodegelenks ist im Querschnitt in 1 gezeigt.
In dieser Figur sieht man einen Gelenkstern oder inneres Element 10 des
Gelenks mit drei Zapfen, wovon einer bei 11 gezeigt ist.
Der Zapfen weist eine teilweise sphärische Fläche 12 auf, die eine
innere Rolle 13 mit einer zylindrischen Bohrung 14 aufnimmt.
Die innere Rolle 13 kann relativ zu dem Zapfen gleiten
und sich neigen und bewegt sich radial relativ zur Mitte des Zap fens,
wenn das Gelenk abgeknickt ist und sich dreht. Eine äußere Rolle 15 ist so
an der inneren Rolle 13 angebracht, daß sie sich relativ zur inneren
Rolle 13 dreht, wobei zwischen den Rollen 13 und 15 ein
Nadelrollenlager 16 angeordnet ist. Die Teile der Rollenbaugruppe
werden durch zwei Ringe 17 und 18 zusammengehalten.
Der äußere Laufring
des Gelenks ist bei 19 angedeutet und hat drei Nuten, wobei
jede Nut durch ein Paar einander gegenüberliegender Führungen
gebildet ist, von denen eine bei 20 gezeigt ist. Die Querschnittsform
jeder Führung
wird durch zwei Kreisbögen,
die einen "gotischen
Bogen" bilden, und
winkelige Kontakte zwischen der Führung und der Rolle definiert. Die
Mitten 21 der sphärischen
Flächen
aller Zapfen liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse 21a des
Gelenksterns verläuft.
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Wenn
Drehmoment vom äußeren Laufring 19 zum
Gelenkstern 10 entgegen der Uhrzeigerrichtung in 1 übertragen
werden soll, so wirkt eine Reaktionskraft F20 vom Zapfen ausgehend
zur inneren Rolle 13 und von dort zur äußeren Rolle 15. Die Kraft
F0 verläuft
allgemein senkrecht zur Drehachse der Rolle 13 (unter Vernachlässigung
der Reibung). Zwischen der Rolle 15 und der rechten Führung 20 besteht
ein Zweipunktkontakt, und die Reaktionskräfte sind bei F1 und F2 gezeigt.
Die Rolle 15 kann sich um den Schnittpunkt dieser Kräfte bei 22 drehen
und wäre
ohne weitere Stützung
instabil. Weil sich die Rolle 15 frei um den Schnittpunkt 22 herum
neigen kann, steht die Rolle, um stabil zu sein, auch mit der linken
Führung
im Eingriff, dergestalt, daß eine
oder mehrere Reaktionskräfte
wie beispielsweise F3 oder F4 am Umfang der Rolle und/oder eine
Kraft F5 auf der Oberseite der Rolle, wodurch ihre Neigungsbewegung
begrenzt wird, wirken. Diese zusätzlichen Kräfte auf
der linken Seite der Rolle sind intermittierend und sind auf die
Tatsache zurückzuführen, daß, wenn
sich der Zapfen 11 auf und ab durch die Rollenbohrung 14 bewegt,
die Position der Rolle 15 relativ zum äußeren Laufring 19 im
allgemeinen nur durch zwei Kontaktpunkte (d. h. jene der Kräfte F1 und
F2) in ein und demselben Moment definiert werden kann, wenn sich
der Drehzapfen in einer bestimmten Position relativ zu der Rolle befindet,
dergestalt, daß im allgemeinen
andere Kräfte
benötigt
werden, um die Ausrichtung der Rolle zu bestimmen. Diese intermittierenden
anderen Kräfte
F3, F4 und F5 erhöhen
den Rollwiderstand der Rolle in den Führungen und damit den Verschiebungswiderstand
des Gelenks, d. h. den passiven Widerstand. Sie können auch
dazu führen, daß das Gelenk
eine zyklische resultierende Axialkraft erzeugt, wenn es sich so
dreht, daß die
Drehachsen des Gelenksterns und des äußeren Laufrings nicht miteinander
fluchten, wodurch in einem Fahrzeug, in dem das Gelenk einen Teil
des Antriebsstrangs bildet, Schüttelvibrationen
auftreten können.
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Eine ähnliche
Anordnung ist in 2 gezeigt, mit der Ausnahme,
daß in
diesem Fall der Zapfen 22 zylindrisch ist und eine innere
Rolle 23 die teilweise sphärische Außenfläche 24 bereitstellt,
die mit einer zylindrischen Bohrung 25 der äußeren Rolle 26 in
Eingriff steht. Die innere Rolle 23 ist an dem Zapfen mittels
eines Nadelrollenlagers 27 angebracht und kann relativ
zu dem Zapfen weder gleiten noch sich neigen. Die äußere Rolle 26 kann
relativ zu dem Zapfen und zu der teilweise sphärischen Außenfläche 24, die sich in
der Bohrung 25 auf- und
ab bewegt, gleiten, sich drehen oder neigen. Die auf die Rolle 26 wirkenden
Kräfte
sind ähnlich
denen, die in Verbindung mit dem Gelenk von 1 beschrieben
wurden, und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Weil
die Rollen 15 und 26 in jedem der obigen Beispiele
relativ zu den Zapfen gleiten, sich drehen oder neigen können, und
weil die Rollen so geformt sind, daß sie in die Nuten passen,
wird die Ausrichtung jeder Rolle bezüglich der ihr zugeordneten Nut
allein durch den Eingriff zwischen Rolle und Nut bestimmt. Es gibt
auch andere Konfigurationen von Tripodegelenken, bei denen die Ausrichtung
jeder Rolle relativ zum äußeren Laufring
durch den Eingriff zwischen Rolle und Nut bestimmt wird.
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In
WO-A-97/25545 ist ein weiterer Typ eines schüttelfreien Tripodegelenks beschrieben
und wir verweisen speziell auf 17.
Bei diesem Gelenk sind die Tripodezapfen zylindrisch, und an jedem Zapfen
ist mit Nadelrollenlagern eine innere Rolle mit einer teilweise
sphärischen
Außenfläche angebracht. Diese
ist mit einer äußeren Rolle,
die eine innere sphärische
Fläche
aufweist, im Eingriff. Die äußere Rolle
kann sich relativ zu der inneren Rolle neigen, aber jegliche radiale
Gleitbewegung findet zwischen dem Zapfen und der inneren Rolle statt.
Die sphärische
Außenfläche bewegt
sich nicht radial relativ zu der äußeren Rolle, so daß – im Gegensatz
zu dem Gelenk der vorliegenden Erfindung, wie weiter unten noch
beschrieben wird – die
Kraft zwischen dem Zapfen und der Rollenbaugruppe an einer festen
Position relativ zu der Rollenbaugruppe wirkt. Darum gibt es im
allgemeinen keine Möglichkeit
für die
Rollenbaugruppe, sich um eine Achse zu verdrehen, die parallel zu
der Achse des zweiten Elements verläuft.
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Bei
dem Gelenk nach dem Stand der Technik hat die äußere Rolle eine trapezoide
Außenfläche, die
mit einer Bahnfläche
von entsprechender Gestalt in Eingriff steht. Es wird angedeutet,
daß ein
Kontakt zwischen drei Flächen
der äußeren Rolle
und der Bahn stattfinden kann, aber das erfordert augenscheinlich
eine sehr präzise
Passung zwischen Rolle und Bahn. Das wird durch die Tatsache anerkannt, daß die geneigten
Flächen
von Rolle und Bahn so beschrieben werden, daß sie einander in "spaltfreiem Kontakt
oder mit einem sehr kleinen Spalt" zugewandt sind. In der Praxis sind
die beiden Trapezoide im allgemeinen nur auf einer oder zwei ihrer
Seiten in Kontakt.
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In
WO-A-97/25545 ist auch beschrieben, wie die Rollen nur mit der Bahnfläche in Kontakt
stehen, durch die Drehmoment übertragen
wird. Das kann dadurch erreicht werden, daß man die antreibende Bahn
(d. h. die Bahn, durch die Drehmoment übertragen wird), schmaler gestaltet
als die andere Bahn. Das führt
zu asymmetrischen Nuten und zu der Notwendigkeit, unterschiedliche
Komponenten auf der linken und der rechten Fahrzeugseite zu verwenden.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Rollwiderstand
der Rollen entlang den Bahnen zu verringern und somit der. Verschiebewiderstand
zu verringern, während
gleichzeitig gewährleistet
ist, daß die
Rollen stabil sind und daß ein ununterbrochener
Dreipunktkontakt zwischen der Rolle und der Bahn besteht, ohne daß die Profile
der Rolle und der Bahn mit extremer Genauigkeit zueinander passen
müssen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein schüttelfreies
Tripodegelenk bereitzustellen, wobei die Stabilität jeder
Rolle allein durch ihren Eingriff mit der antreibenden Bahn bestimmt
wird und es keine intermittierenden Kontakte zwischen der Rolle
und der anderen Bahn gibt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das NVH (Geräusch, Vibration,
Laufhärte)
zu verringern, das mit dem Spiel in dem Gelenk einhergeht, indem
die Spielbewegung der Rolle gedämpft wird,
wenn das Drehmoment umgekehrt wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gelenk bereitzustellen,
wobei die Nuten, welche die Rollen aufnehmen, eine einfache Form haben,
so daß das
zweite Drehelement bzw. der äußere Laufring
einfach herzustellen ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gelenk bereitzustellen,
wobei die Nuten symmetrisch sind.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gelenk bereitzustellen,
wobei sämtliche Kontakte
zwischen der Rolle und der Bahn von Hertzscher Art sind (wie weiter
unten noch beschrieben wird).
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein verschiebbares Gleichlauf-Universalgelenk
bereitgestellt, das folgendes umfaßt: ein erstes Drehelement mit
einer Drehachse, drei Zapfen, die sich von dem ersten Element aus
erstrecken, jeweils eine Rolle, welche direkt oder indirekt an einer
sphärischen
Fläche an
jedem Zapfen angebracht ist, wobei diese Fläche vom Zapfen selbst oder
von einem Element, das drehbar an dem Zapfen angebracht ist, bereitgestellt wird,
wobei die Rolle eine zylindrische Bohrung enthält, die mit der sphärischen
Fläche
dergestalt in Eingriff ist, daß jede
Rolle relativ zu ihrem stützenden Zapfen
sich drehen, sich neigen und gleiten kann, wobei die Mitten der
sphärischen
Flächen
an allen Zapfen in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der Drehachse
verläuft,
ein zweites Drehelement mit einer Drehachse, wobei in dem zweiten
Drehelement drei Nuten dergestalt ausgebildet sind, daß sie sich parallel
zu der Drehachse des zweiten Drehelements erstrecken, wobei jede
Nut voneinander beabstandete Bahnflächen umfaßt, die sich parallel zu der
Drehachse des zweiten Elements erstrecken, wobei jede Rolle mit
einer Bahnfläche
in einer der Nuten in Eingriff ist, wobei der Eingriff zwischen
jeder Rolle und ihrer zugehörigen
Bahnfläche,
durch die Drehmoment übertragen
wird, an drei Punkten erfolgt, die vollständig die Ausrichtung der Rolle
relativ zu dem zweiten Element bestimmen, und wobei, wenn das Gelenk
Drehmoment überträgt, jede
Rolle nur mit derjenigen Bahnfläche
in Kontakt ist, über
die das Drehmoment übertragen
wird.
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Die
Kontaktvektoren der Reaktionskräfte
an den drei Punkten, wenn sie auf eine gemeinsame Ebene senkrecht
zu der Drehachse des zweiten Elements projiziert werden, können ein
Dreieck bilden, wobei der Kontaktvektor der Kraft zwischen der Rolle und
der sphärischen
Fläche,
wenn er auf diese gemeinsame Ebene projiziert wird, jene beiden
Seiten des Dreiecks schneidet, die durch die projizierten Kontaktvektoren
der Reaktionskräfte,
welche an dem radial am weitesten innen liegenden und dem radial am
weitesten außen
liegenden der Punkte wirken, gebildet werden, wobei die radialen
Positionen dieser Punkte relativ zu der Drehachse des zweiten Elements
gemessen werden, und wobei, wenn das Gelenk Drehmoment überträgt, jede
Rolle nur mit derjenigen Bahnfläche
in Kontakt ist, über
die das Drehmoment übertragen
wird.
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Vorzugsweise
sind die Bahnflächen
in jeder Nut relativ zu ei ner Ebene (der Symmetrieebene), welche
die Drehachse des zweiten Elements enthält, symmetrisch.
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Vorzugsweise
schneiden sich zwei der Kontaktvektoren der Reaktionskräfte, wenn
sie auf die gemeinsame Ebene projiziert werden, auf der Symmetrieebene,
wobei es sich bei den beiden Kontaktvektoren um eine der Reaktionskräfte handelt,
welche an dem radial am weitesten innen liegenden oder dem radial
am weitesten außen
liegenden der Punkte wirken, und wobei der Kontaktvektor der Reaktionskraft
an dem radial dazwischenliegenden Punkt wirkt.
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Eine
erste Bahnfläche,
an welcher der radial am weitesten innen liegende Punkt oder der
radial am weitesten außen
liegende Punkt und der radial dazwischenliegende Punkt angeordnet
sind, kann zylindrisch sein. Diese ersten Bahnflächen auf jeder Seite der Nut
können
Teile desselben Zylinders sein.
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Der
radial am weitesten innen liegende Punkt oder der radial am weitesten
außen
liegende Punkt, der sich nicht auf der ersten Bahnfläche befindet,
kann sich auf einer zweiten Bahnfläche befinden, die zylindrisch
ist. Die erste und die zweite Bahnfläche können an ihrer Berührungsstelle
eine gemeinsame Tangente aufweisen.
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Wenn
das Gelenk Drehmoment überträgt, so kann
die Drehachse jeder Rolle relativ zur Symmetrieachse ihrer zugehörigen Bahnflächen geneigt sein.
Wenn sich die Richtung der Drehmomentübertragung durch das Gelenk
umkehrt, so bewegt sich darum jede Rolle in Kontakt mit einer Bahnfläche, durch
die dann Drehmoment übertragen
wird, und neigt sich um eine Achse, die parallel zu der Drehachse
des zweiten Elements verläuft,
bis ihre Ausrichtung durch den Dreipunkt-Kontakt bestimmt wird. Die
Neigungsbewegung jeder Rolle erfolgt vorzugsweise in einer Richtung,
die der Drehrichtung des ersten Elements entgegengesetzt ist, nachdem
die Richtung der Drehmomentübertragung
sich umgekehrt hat.
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Jeder
Zapfen kann eine teilweise sphärische Fläche aufweisen,
die mit einer zylindrischen Bohrung eines inneren Drehelements in
Eingriff steht, woran die Rolle drehbar angebracht ist. Alternativ kann
jeder Zapfen eine zylindrische Fläche aufweisen, an der ein inneres
Drehelement drehbar angebracht ist, das eine sphärische Außenfläche aufweist, die mit einer
zylindrischen Bohrung der Rolle in Eingriff steht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun detailliert und beispielhaft anhand der begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
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3 ist
ein Querschnitt durch einen Teil eines Gelenks, das eine Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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4 ist
eine schaubildhafte Darstellung des Vorgangs, wenn die Rolle schräg läuft.
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5a und 5b sind
Schaubilder, welche die Ausrichtung der drei Rollen zeigen, wenn
Drehmoment vom äußeren Element
zum inneren Element in Uhrzeigerrichtung bzw. entgegen der Uhrzeigerrichtung übertragen
wird.
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6 ist
ein Querschnitt, ähnlich
dem von 3, einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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7 ist
ein Querschnitt durch ein komplettes Gelenk, das die Erfindung verkörpert.
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8, 9 und 10 sind
Ansichten, ähnlich
der von 3, von drei weiteren Ausführungsformen.
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Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
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Wenden
wir uns 3 zu, wo das innere Element
bzw. der Stern des Gelenks mit 30 und einer der Zapfen
mit 31 bezeichnet ist. Der Zapfen weist eine teilweise
sphärische
Außenflä che 32 auf,
deren Mitte mit 32a bezeichnet ist. Es gibt drei Zapfen,
wie in 7 gezeigt, und die Mitten der sphärischen
Flächen
aller Zapfen liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse 30a des
inneren Elements verläuft.
An jedem Zapfen ist eine innere Rolle 33 angebracht, die
eine zylindrische Bohrung aufweist, um die teilweise sphärische Fläche 32 in
Eingriff zu nehmen. Eine äußere Rolle
ist mit 34 bezeichnet und ist an der inneren Rolle mittels
eines Nadelrollenlagers 35 angebracht und wird durch den
Ring 36 in Position gehalten.
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Der äußere Laufring 40 des
Gelenks weist drei Nuten auf, wie in 7 gezeigt,
wobei jede Nut ein Paar Bahnen bereitstellt, von denen ein Paar
in 3 gezeigt ist, wobei die Bahnflächen mit 41 und 42 bezeichnet
sind. Diese Flächen
bilden Teile desselben Zylinders, können aber auch andere Formen haben.
Die Bahnen 41 und 42 sind relativ zu einer Ebene
(der Symmetrieebene), welche die Drehachse des äußeren Laufrings und die Linie 45 enthält, symmetrisch
angeordnet. Der Grund 43 der Führung ist ebenfalls eine zylindrische
Fläche,
deren Mitte bei 43a gezeigt ist. Die Bahnen in den anderen
Nuten sind ähnlich
konfiguriert.
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Wie
in 3 gezeigt, hat die äußere Rolle 34 eine äußere Umfangsfläche 37,
die mit der Bahn 42 und einer Fläche 39 in Eingriff
steht, welche mit dem Grund 43 in Eingriff steht, dergestalt,
daß ein
Dreipunktkontakt zwischen der Rolle und der Bahnfläche 42 und
dem Grund 43 besteht. Wenn man davon ausgeht, daß Drehmoment
von dem Zapfen 31 zum äußeren Laufring 42 in
Uhrzeigerrichtung übertragen wird,
so gibt es demnach eine Kraft F0 zwischen der sphärischen
Fläche 32 und
der inneren Rolle 33 und zwei Reaktionskräfte F2 und
F3 an den beiden Punkten, wo die äußere Rolle 34 mit
der Bahn 42 in Eingriff steht. Es gibt des weiteren eine
Kraft F1, wo die Fläche 39 auf
der Oberseite der Rolle mit einem Abschnitt des Führungsgrundes 43 in
Eingriff steht. Die Ausrichtung der Rolle wird somit durch diesen
Dreipunktkontakt bestimmt, der durch die Pfeile F1, F2 und F3 dargestellt
ist. Die Kontaktvektoren, d. h. die Wirkungslinien, der Kräfte F2 und
F3, wenn sie auf eine gemeinsame Ebene senkrecht zu der Drehachse 30a projiziert
werden, schneiden sich bei O, der Mitte der Krümmung der Bahnen 41 und 42.
Bei Fehlen der Kraft F1 könnte
die Rolle sich um den Punkt O drehen und wäre instabil. Die Kraft F1,
wenn sie auf die gemeinsame Ebene projiziert wird, schneidet die
projizierten Kontaktvektoren der Kräfte F2 und F3 bei E bzw. D.
Die Punkte O, D und E bilden ein Dreieck, und der Kontaktvektor,
d. h. die Wirkungslinie, der Kraft F0 (die durch die Mitte 32a der
sphärischen Fläche 59 wirkt)
schneidet zwei Seiten des Dreiecks, d. h. OD und DE. Diese Konfiguration,
die weiter unten eingehender beschrieben wird, gewährleistet, daß die Rolle
stabil ist und mit ihrem Dreipunktkontakt in Position gehalten wird.
Es ist zu beachten, daß von
den Dreiecksseiten, die von dem Kontaktvektor der Kraft F0 geschnitten
werden, die Seite OD der Kontaktvektor der radial am weitesten innen
wirkenden Kraft F3 ist und daß die
Linie DE der Kontaktvektor der radial am weitesten außen wirkenden
Kraft F1 ist, wo die radialen Positionen relativ zur Drehachse 30a des
zweiten Elements gemessen werden. Solange die Kraft F0, wenn sie
auf die gemeinsame Ebene projiziert wird, die Seite DE des Dreiecks
ODE schneidet, wird der Kontakt an Punkten, die zu den Kräften F2
und F3 gehören,
beibehalten. Solange die Kraft F0 außerdem die Seite OD des Dreiecks
ODE schneidet, gewährleistet
das Moment auf die Rolle um den Punkt O den Kontakt an dem Punkt,
der zur Kraft F1 gehört.
Oder anders ausgedrückt:
Diese Bedingungen gewährleisten,
daß die
Werte der Kräfte F1,
F2 und F3 positiv sind, dergestalt, daß der Kontakt an diesen drei
Punkten beibehalten wird.
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Jede
der Kräfte,
die vom Zapfen 31 zum äußeren Laufring 40 übertragen
werden und die Reaktionskräfte
F1, F2 und F3 zur Folge haben, weist eine tangentiale Komponente
auf, die in der positiven drehmomentübertragenden Richtung wirkt.
Die Punktkräfte
sind vorzugsweise von Hertzscher Art, d. h. es gibt wenigstens zwei
Hauptkrümmungsradien der
Außenfläche 37 und
der Bahnfläche 42,
die dazu führen,
daß diskrete
elliptische Kontaktbereiche existieren.
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Man
erkennt, daß es
ein Spiel 44 (in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt) zwischen der
linksseitigen Bahn 41 und der Fläche 37 der Rolle gibt.
Die Rolle befindet sich daher nur mit der Bahn in Kontakt, durch
die Drehmoment übertragen
wird, d. h. in der Zeichnung die Bahn, die sich rechts von der Symmetrieebene
der Bahnen 41, 42 befindet. Der gesamte Umfang
der Rolle 34 links von dieser Ebene steht darum nicht mit
der Bahn 41 in Kontakt, und es gibt keine intermittierenden
Kontakte mit ihr wie in den 1 und 2.
Die Drehachse der Rolle verläuft
nicht parallel zur Linie 45, die durch den Punkt 43a,
die Mitte der zylindrischen Grundfläche 43, und die sphärische Mitte
O hindurch verläuft.
Während das
Gelenk arbeitet, bewegt sich der Kontaktpunkt zwischen der sphärischen
Fläche 32 des
Zapfens und der zylindrischen Bohrung der Rolle 33 radial.
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Wenn
sich die Richtung der Drehmomentübertragung
nun umkehrt, so gelangt die Fläche 37 der
Rolle 34 in Eingriff mit der linken Bahn 41, und
die Rolle neigt sich dann so, daß der linke Abschnitt der Fläche 39 mit
dem Grund 43 der Führung
in Kontakt kommt. Die Rolle verliert dabei ihren Kontakt mit der Bahn 42.
Dieses Neigen der Rolle erfolgt in einer Richtung, die der Drehrichtung
des inneren Elements 30 des Gelenks entgegengesetzt ist,
sobald die Umkehr der Drehmomentübertragung
erfolgt ist. Wir gehen davon aus, daß diese Bewegung und das Gleiten der
Rolle entlang der Bahn 41 nach dem ursprünglichen
Anschlag im allgemeinen die Anschlagenergie absorbiert und somit
die Auswirkungen des Spiels verringert, das zu Geräusch- und Vibrationsproblemen
führen
kann, wenn das Gelenk in einem Fahrzeug eingebaut ist.
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Wenn
die Rolle schräg
läuft,
d. h. wenn sie sich um eine Achse dreht, die senkrecht zur Rollenachse
und zur Drehachse des äußeren Elements
verläuft,
dann – wie
in 4 gezeigt – kann
sich der Kontaktpunkt zwischen der Fläche 39 am Ende der Rolle
und dem Führungsgrund 43 frei
von der Position 46 zur Position 47 oder zur Position 49 oder
zu einer Stelle irgendwo zwischen diesen beiden Positionen bewegen.
Eine Bewegung dieses Kon taktpunktes begrenzt die Schräglaufbewegung
der Rolle.
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5a zeigt
die drei Rollen in ihrer geneigten Ausrichtung, wenn Drehmoment
vom äußeren Element
des Gelenks zum inneren Element in Uhrzeigerrichtung übertragen
wird, und 5b zeigt die Rollenausrichtung,
wenn Drehmoment entgegen der Uhrzeigerrichtung übertragen wird. Wenn das Drehmoment
sich umkehrt, so neigen sich die Rollen in die Richtung, die der
Drehrichtung des inneren Elements 30 entgegengesetzt ist,
sobald die Drehmomentumkehr erfolgt ist, und gelangen mit den Bahnen
auf den anderen Seiten der Nuten in Eingriff, dergestalt, daß ein Spiel
zwischen jenen Flächen
der Rolle, die kein Drehmoment übertragen,
und den Bahnen vorhanden ist.
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6 zeigt
ein Gelenk, ähnlich
wie in 2, das aber die Erfindung verkörpert. Darum ist in 6 das
innere Element des Gelenks mit 50 bezeichnet, und ein Zapfen
ist mit 51 bezeichnet. Der Zapfen ist zylindrisch und trägt ein Nadelrollenlager 52,
das seinerseits eine innere Rolle 53 mit einer sphärischen Außenfläche 54 trägt. Eine äußere Rolle 55 hat
eine zylindrische Bohrung 56, die mit der sphärischen
Fläche 54 in
Eingriff steht.
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Die
Rolle 55 hat die gleiche Form wie die, die in Verbindung
mit 3 beschrieben wurde. Das gleiche gilt für die Bahn 57 in
dem äußeren Element 58 des
Gelenks. Auch hier besteht ein Dreipunktkontakt von Hertzscher Art,
der durch die Pfeile F1, F2 und F3 angedeutet ist, und die Arbeitsweise
dieses Gelenks entspricht der, die in Verbindung mit dem Gelenk
von 3 beschrieben wurde.
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Wie
in 3 schneiden sich die Kontaktvektoren der Kräfte F2 und
F3, wenn sie auf eine gemeinsame Ebene senkrecht zu der Drehachse
des zweiten Elements projiziert werden, bei O, der Krümmungsmitte
der Führungen 57.
Der Kontaktvektor der Kraft F1, wenn er auf diese gemeinsame Ebene projiziert
wird, schneidet die Kraftvektoren der Kräfte F2 und F3 bei E und D,
und die Punkte O, E und D sind Spitzen eines Dreiecks. Wie zu sehen,
schneidet der Kontaktvektor der Kraft F0 die Dreiecksseiten OD und
DE dergestalt, daß sich
die Rolle 55 unter dem Einfluss der Kräfte F1, F2 und F3 in einem
stabilen Gleichgewicht befindet. Wie in Verbindung mit 3 beschrieben,
sind die Seiten OD und DE, die von dem Kontaktvektor der Kraft F0
(die durch die Mitte S der sphärischen
Fläche 54 hindurch
wirkt) geschnitten werden, die Kontaktvektoren der radial am weitesten
innen wirkenden Kraft F3 und der radial am weitesten außen wirkenden
Kraft F1. Wie in 3 ist auch hier die Rolle nicht
in Kontakt mit der linken Bahn 57.
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In 8 ist
ein Gelenk ähnlich
dem zu sehen, das in 3 gezeigt ist, mit der Ausnahme,
daß in
diesem Fall die Rolle nicht verdreht ist. Das innere Element des
Gelenks ist hier mit 60 bezeichnet, und ein Zapfen hat
die Bezugszahl 61. Es sind drei dieser Zapfen in gleichem
Winkelabstand um die Drehachse 62 des inneren Elements
herum angeordnet. Der Zapfen hat eine sphärische Außenfläche 63, die mit der
zylindrischen Bohrung 64 einer inneren Rolle 65 im
Eingriff steht. Die innere Rolle ist von einem Ring aus Nadelrollen 66 umgeben,
auf denen die äußere Rolle 67 läuft, wobei
das ganze mit Sicherungsringen 68 zusammengehalten wird,
wie in Verbindung mit 3 beschrieben.
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Das äußere Element
ist mit 69 bezeichnet und hat drei Nuten, wie schon oben
beschrieben, von denen eine bei 70 gezeigt ist. Jede Nut
hat zwei Bahnen 71 und 72, die aus zylindrischen
Flächen
bestehen und einen Teil desselben Zylinders bilden, dessen Mitte
bei O gezeigt ist. Es gibt eine zweite zylindrische Bahnfläche auf
jeder Seite der Nut, die bei 74 bzw. 75 gezeigt
sind. Die Flächen 71 und 74 sind – wie auch
die Flächen 72 und 75 – kotangential.
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Wie
in 3, steht die Rolle 67 in Kontakt mit
den Bahnflächen 71 und 74,
aber sie steht nicht in Kontakt mit den Bahnflächen 72 und 75.
Dabei wird davon ausgegangen, daß Drehmoment entgegen der Uhrzeigerrichtung
vom äußeren Element
zum inneren Element übertragen
wird.
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Der
Kontaktvektor der Kraft vom Zapfen zur Rolle ist mit F0 bezeichnet.
Es gibt drei Reaktionskräfte:
FA, FB und FC, die an drei Punkten: A, B bzw. C wirken. Punkt A
befindet sich an der zylindrischen Fläche 74, und die Punkte
B und C befinden sich an der zylindrischen Fläche 71.
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Die
Kontaktvektoren der Kräfte
FB und FC schneiden sich bei O, d. h. der Achse der zylindrischen
Flächen 71 und 72.
Wenn diese Kraftvektoren auf eine gemeinsame Ebene projiziert werden
und der Kraftvektor der Kraft FA, der an einem Punkt A der zylindrischen
Fläche 74 wirkt,
ebenfalls auf diese gemeinsame Ebene projiziert wird, so erhält man ein Dreieck
mit den Spitzen O, E und D. Man erkennt, daß der Kontaktvektor der Kraft
F0 (die durch die Mitte S der sphärischen Fläche 63 hindurch wirkt)
die Linien OD und DE schneidet. Dies ist eine notwendige Voraussetzung
dafür,
daß die
Rolle 67 in Dreipunktkontakt mit den Flächen 71 und 74 an
den Punkten A, B und C bleibt. Es ist zu sehen, daß – wie oben
beschrieben – die
Seiten, die durch den Kontaktvektor der Kraft F0 geschnitten werden,
die Seiten sind, die durch den Kontaktvektor der radial am weitesten
innen wirkenden Kraft FC und der radial am weitesten außen wirkenden
Kraft FA gebildet werden. Der Kontaktvektor der Kraft F0 schneidet
nicht den Kontaktvektor der Zwischenkraft FB.
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Wenn
sich die Richtung der Drehmomentübertragung
durch das Gelenk umdreht, so gelangt die Rolle 67 in Kontakt
mit den Flächen 72 und 75 und verlässt den
Kontakt mit den Flächen 71 und 74.
Es ist festzustellen, daß (unter
Vernachlässigung
der Reibung) die Kontaktvektorkraft F0 durch die Mitte der sphärischen
Fläche 63 hindurch
wirkt.
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Gleiche
Teile in den 8 und 9 sind mit den
gleichen Bezugszahlen gezeigt. 9 zeigt
eine ähnliche
Konfiguration wie 8, mit der Ausnahme, daß in diesem
Fall der Schnittpunkt O der Kontaktvektoren der Kräfte FB und
FC nicht auf der Symmetrieebene der Bahnen liegt. Wie zuvor, schneidet
der Kon taktvektor der Kraft F0 die Seiten OD und DE, welche die
Seiten des Dreiecks sind, die durch die Kontaktvektoren der radial
am weitesten innen wirkenden Kraft FC und der radial am weitesten
außen wirkenden
Kraft FA gebildet werden, wenn die Kräfte auf eine gemeinsame Ebene
senkrecht zu der Drehachse des äußeren Elements
projiziert werden (was durch den Punkt 62 dargestellt ist),
welche die gleiche ist wie die Drehachse des inneren Elements. Man
erkennt, daß in 8 und
in 9 der Schnittpunkt O der Kräfte FB und FC an einer Stelle
liegt, die sich radial auswärts
von der Mitte der sphärischen Fläche des
Zapfens befindet.
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10 zeigt
eine weitere Konfiguration, wobei der Schnittpunkt O der Kräfte FC und
FB an einer Stelle liegt, die sich radial einwärts von der Mitte des Zapfens
befindet. Bei dieser Ausführungsform
befindet sich der Punkt A, wo die Kraft FA wirkt (wobei die Kraft
FA die Kraft mit der größten Rollenaxialkomponente
ist), radial einwärts
von den Punkten B und C, wo die Kräfte FB und FA wirken. In 10 sind
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen wie in 8.
In 10 wirkt der Kontaktvektor der Kraft F0 (unter
Vernachlässigung
der Reibung) durch die Mitten der sphärischen Fläche 63 hindurch.
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Die
Kontaktvektoren der Kräfte
FB und FC wirken durch die Punkte B bzw. C hindurch, und wenn sie
auf eine gemeinsame Ebene senkrecht zu der Drehachse des äußeren Elements
projiziert werden, so schneiden sie sich am Punkt O, der sich radial
einwärts
von den Mitten der sphärischen
Fläche des
Drehzapfens befindet. In diesem Fall schneidet der Kontaktvektor
der Kraft F0 die Seiten OE und ED des Dreiecks. Diese Seiten sind
jene, die durch die radial am weitesten außen wirkende Kraft FC und die radial
am weitesten innen wirkende Kraft FA gebildet werden. Wie oben,
schneidet der Kontaktkraftvektor der Kraft F0 nicht den Kontaktvektor
der Kraft FB.
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Vorzugsweise
sind an allen Kontaktpunkten A, B und C die Kontakte von Hertzscher
Art, da die Kontaktflächen
wenigstens zwei identifizierbare Kurvenradien haben. Der Kontakt
an den Punkten A, B und C hat genau genommen drei Kurvenradien,
von denen zwei zu der Rolle 67 gehören und einer zu den Bahnen 71, 74 und 72, 75 gehört. Man
kann davon ausgehen, daß diese
Kontakte das Eindringen von Schmiermittel in die Kontaktzonen unterstützen und daß die daraus
resultierende Bildung eines Schmierfilms den Rollwiderstand der
Rolle verringert.
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Die
Erfindung stellt somit ein Gelenk bereit, das die oben angesprochenen
Aufgaben erfüllt,
einen geringen Verschiebungswiderstand aufweist und Geräusch, Vibration
und Laufhärte
mindert.