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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichlauffestgelenk, bei dem
eine Drehwelle auf der Antriebsseite und eine Drehwelle auf der
angetriebenen Seite miteinander verbunden sind und welches Drehmoment
mit konstanten Winkelgeschwindigkeiten selbst dann übertragen
kann, wenn die beiden Wellen einen Winkel bilden. Es kann Winkelverschiebungen
allein ohne Eintauchen ausführen
und wird in Kraftfahrzeugen und verschiedenen Industriemaschinen
eingesetzt.
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2. KURZE BESCHREIBUNG
DER VERWANDTEN TECHNIK
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Während sich
die Verbindungskonstruktion der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs
je nach dem Aufhängungssystem
des Fahrzeugs unterscheidet, ist ein Differentialgetriebe, oder
ein Enduntersetzungsgetriebe, auf der Fahrzeugkarosserieseite montiert,
z.B. in einem Fahrzeug mit einem unabhängigen Aufhängungssystem, und die gegenüber liegenden
Enden der Antriebswelle sind durch Universalgelenke jeweils mit
dem Differential und der Achse verbunden. Und um eine Verschiebung
der Antriebswelle als Reaktion auf die Bewegung der Aufhängung zuzulassen,
ist der Aufbau derart, dass eine Winkelverschiebung der Antriebswelle
in der radseitigen Verbindung und eine Winkelverschiebung und eine Axialverschiebung
in der karosserieseitigen Verbindung ermöglicht wird.
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Was
die oben erwähnten
Universalgelenke betrifft, so werden derzeit häufig Gleichlaufgelenke eingesetzt.
Dabei werden für
die radseitige Verbindung Gleichlauffestgelenke verwendet, die nur
eine Winkelverschiebung der beiden Wellen zulassen, wie z.B. der
Rzeppa-Typ, während
für die
karosserieseitige Verbindung Gleichlaufverschiebegelenke verwendet
werden, die eine Winkelverschiebung und eine Axialverschiebung zwischen
den beiden Wellen zulassen, wie z.B. der Doppelversatztyp, der Tripodentyp
und der Kreuztyp.
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Ein
in den 9A und 9B gezeigtes Gleichlauffestgelenk
umfasst ein äußeres Gelenkelement 1 mit
sechs gekrümmten
Führungsrillen 1b,
die axial in einer sphärischen
inneren Umfangsfläche 1a ausgebildet
sind, ein inneres Gelenkelement 2 mit sechs gekrümmten Führungsrillen 2b,
die axial in einer sphärischen äußeren Umfangsfläche 2a ausgebildet
sind, und mit Keilnutprofil- (oder Kerbzahn-) Löchern 2c, Drehmomentübertragungskugeln 3,
die einzeln in sechs Kugellaufbahnen angeordnet sind, die durch
die Zusammenwirkung zwischen den Führungsrillen 1b des äußeren Gelenkelementes 1 und den
Führungsrillen 2b des
inneren Gelenkelementes 2 definiert sind, und einen die
Drehmomentübertragungskugeln 3 haltenden
Käfig 4.
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Der
Krümmungsmittelpunkt
der inneren Umfangsfläche 1a des äußeren Gelenkelementes 1 und der
Krümmungsmittelpunkt
der äußeren Umfangsfläche 2a des
inneren Gelenkelementes 2 stimmen jeweils mit dem Gelenkmittelpunkt
0 überein.
Der Krümmungsmittelpunkt
A jeder der Führungsrillen 1b des äußeren Gelenkelementes 1 und
der Krümmungsmittelpunkt
B jeder der Führungsrillen 2b des inneren
Gelenkelementes 2 sind axial um eine gleiche Distanz auf
gegenüber
liegenden Seiten des Gelenkmittelpunkts 0 versetzt (in dem in derselben
Figur gezeigten Beispiel befindet sich der Mittelpunkt A auf der Öffnungsseite
des Gelenkes und der Mittelpunkt B auf der innersten Seite des Gelenkes).
Daher sind die durch die Zusammenwirkung zwischen den Führungsrillen 1b und 2b definierten
Kugellaufbahnen keilförmig
und öffnen
zu einer axialen Seite hin (in dem in derselben Figur gezeigten
Beispiel zur Öffnungsseite
des Gelenks).
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In
dem Fall, in dem keine Winkelverschiebung zwischen den beiden Wellen
vorliegt, d.h. die Rotationsachsen der beiden Wellen bilden eine
gerade Linie, wie in 9A gezeigt, befinden sich die
Mittelpunkte aller Drehmomentübertragungskugeln 3 in einer
Ebene lotrecht zur Rotationsachse, die den Gelenkmittelpunkt 0 einschließt. Bei
einer Winkelverschiebung um einen Winkel θ zwischen dem äußeren und
dem inneren Gelenkelement 1 und 2 bringt der Käfig 4 die
Drehmomentübertragungskugeln 3 in eine
den Winkel θ halbierende
Ebene, so dass die Gleichlaufeigenschaft des Gelenkes gewährleistet wird.
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Die
Anmelderin hat bereits ein Gleichlauffestgelenk vorgeschlagen, das
acht Drehmomentübertragungskugeln
hat, um eine weitere Größen- und Gewichtsverringerung
zu realisieren, während
Festigkeit, Belastbarkeit und Haltbarkeit gesichert bleiben, was
mehr ist als in einem Gleichlauffestgelenk mit sechs Drehmomentübertragungskugeln,
wie die 9A und 9B zeigen.
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Einer
der Hauptschäden
an Gleichlauffestgelenken bei einem Betrieb mit großem Winkel
ist ein Modus, der als Käfigsäulenscherfraktur
bezeichnet wird, die durch einen sphärischen Randeinschnitt des äußeren und
des inneren Gelenkelementes verursacht wird. 3 ist eine
vergrößerte Schnittansicht
zum Erläutern
eines Schadensmodus eines Gleichlauffestgelenks, das die Umgebung
einer ganz außen
positionierten Drehmomentübertragungskugel
bei einem maximalen Betriebswinkel zeigt. Wie aus derselben Ansicht
hervorgeht, wenn die sphärischen
Randkontaktpunkte (Belastungspunkte) des äußeren und des inneren Gelenkelements
axial stark vom Käfig
versetzt sind, dann nimmt die Scherbelastung in der Käfigsäule zu,
so dass diese eine übergroße Momentbelastung
erfährt,
so dass die Festigkeit des Käfigs
erheblich herabgesetzt wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine solche Scherbelastung in der
Käfigsäule abzumildern und
die Käfigfestigkeit
in einem Gleichlauffestgelenk zu gewährleisten.
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Die
vorliegende Erfindung mildert die Scherbelastung in der Käfigsäule zum
Gewährleisten
der Käfigfestigkeit
durch Einstellen der axialen Versatzmenge der sphärischen
Randkontaktpunkte (belastete Punkte) des äußeren und inneren des Gelenkelements
auf einen optimalen Wert ab.
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Die
US-A-5242329 und die US-A-5221233 offenbaren jeweils ein Gleichlauffestgelenk,
das Folgendes umfasst: ein äußeres Gelenkelement
mit axial verlaufenden Führungsrillen,
die in dessen sphärischer
innerer Umfangsfläche
ausgebildet sind, ein inneres Gelenkelement mit axial verlaufenden
Führungsrillen,
die in dessen sphärischer äußerer Umfangsfläche ausgebildet
sind, Drehmomentübertragungskugeln,
die einzeln in Kugellaufbahnen angeordnet sind, die durch
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Zusammenwirkung
zwischen den Führungsrillen
des äußeren und
inneren Gelenkelementes definiert werden, und einen Käfig, der
die Drehmomentübertragungskugeln
aufnimmt.
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α, der durch
eine gerade Linie, die einen Kontaktpunkt zwischen dem Käfig und
dem äußeren Gelenkelement
und einen Kontaktpunkt zwischen dem Käfig und dem inneren Gelenkelement
verbindet, und die Käfigmittellinie
definiert wird, nicht mehr als 10° beträgt, wenn
der Verdrängungswinkel θ zwischen
dem äußeren und
dem inneren Gelenkelement auf einem Maximalwert ist.
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Gemäß der Erfindung
ist es möglich,
ein Gleichlauffestgelenk mit abgemilderter Scherbelastung in der
Käfigsäule bereitzustellen
und die Käfigfestigkeit
dadurch zu gewährleisten,
dass der Winkel, der durch eine gerade Linie, die den Kontaktpunkt zwischen
dem Käfig
und dem äußeren Gelenkelement
und den Kontaktpunkt zwischen dem Käfig und dem inneren Gelenkelement
verbindet, und die Käfigmittellinie
definiert wird, nicht mehr als 10° beträgt.
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Die
Anzahl der Führungsrillen
des äußeren Gelenkelementes
kann dabei acht sein, ebenso wie die Anzahl der Führungsrillen
des inneren Gelenkelementes.
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Die
Führungsrillen
des äußeren und
des inneren Gelenkelementes können
mit geraden Abschnitten mit einem geraden Rillenboden versehen sein.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine Schnittansicht eines Gleichlauffestgelenks mit einem maximalen
Betriebswinkel;
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1B ist
eine Schnittansicht eines inneren Gelenkelementes;
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2A ist
eine Schnittansicht eines Gleichlauffestgelenks mit einem maximalen
Betriebswinkel;
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2B ist
eine Schnittansicht eines inneren Gelenkelementes;
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3 ist
eine Schnittansicht eines Gleichlauffestgelenks, bei dem die Umgebung
einer ganz außen
positionierten Drehmomentübertragungskugel
bei einem maximalen Betriebswinkel vergrößert ist;
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4 ist
eine Schnittansicht ähnlich 3 zum
Erläutern
der Beziehung zwischen der Randposition des inneren Gelenkelementes
und der Scherbelastung;
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5 ist
eine Längsschnittansicht
eines Gleichlauffestgelenks;
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6 ist
eine Querschnittsansicht des Gleichlauffestgelenks von 5;
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7 ist
eine Längsschnittansicht
eines Gleichlauffestgelenks;
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8 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Winkel α und Käfigfestigkeit zeigt;
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9A ist
eine Längsschnittansicht
eines Gleichlauffestgelenks des Standes der Technik; und
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9B ist
eine Querschnittsansicht des in 9A gezeigten
Gelenks.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
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Ausgestaltungen
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Zunächst
wird der Grundaufbau eines Gleichlauffestgelenks mit Bezug auf die 5 bis 7 beschrieben.
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In
der in den 5 und 6 gezeigten Ausgestaltung
umfasst das Gleichlauffestgelenk ein äußeres Gelenkelement 10,
ein inneres Gelenkelement 20, Drehmomentübertragungskugeln 30 und
einen Käfig 40.
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Das äußere Gelenkelement 10,
das becherförmig
mit einem geöffneten
axialen Ende ist, hat eine sphärische
innere Umfangsfläche 12,
die mit bogenförmigen
(5) Führungsrillen 14 an
acht umfangsmäßig gleich
beabstandeten Positionen (6) ausgebildet
ist. Der Krümmungsmittelpunkt
der Führungsrillen 14 ist
in 5 mit 01 bezeichnet. Darüber hinaus illustriert 5 einen
Fall, bei dem eine Welle 16 einstückig mit dem äußeren Gelenkelement 10 ausgebildet
ist.
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Das
innere Gelenkelement 20 hat eine sphärische äußere Umfangsfläche 22,
die mit bogenförmigen
(5) Führungsrillen 24 an
acht umfangsmäßig gleich
beabstandeten Positionen (6) ausgebildet
ist. Der Krümmungsmittelpunkt
der Führungsrillen 24 ist
in 5 mit 02 bezeichnet. 5 illustriert
einen Fall, bei dem das innere Gelenkelement 20 Keilwellenlöcher 26 aufweist
und durch die Keilwellenlöcher 26 auf
der Keilwelle der Welle 5 montiert ist.
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Die
Führungsrillen 14 des äußeren Gelenkelementes 10 sind
mit Führungsrillen 24 des
inneren Gelenkelementes 20 gepaart und sie bilden insgesamt
acht Kugellaufbahnen. Und die Drehmomentübertragungskugeln 30 sind
einzeln in den Kugellaufbahnen angeordnet. Der Mittelpunkt der Drehmomentübertragungskugeln 30 ist
in 5 mit 03 bezeichnet.
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Die
Drehmomentübertragungskugeln 30 werden
vom Käfig 40 gehalten.
Der Käfig 40 hat
eine sphärische äußere Umfangsfläche 42 und
eine sphärische
innere Umfangsfläche 44.
Die äußere Umfangsfläche 42 ist
sphärisch
auf der inneren Umfangsfläche 12 des äußeren Gelenkelementes 10 montiert,
während
die innere Umfangsfläche 44 sphärisch auf
der äußeren Umfangsfläche 22 des
inneren Gelenkelementes 20 montiert ist. Der Krümmungsmittelpunkt
der äußeren Umfangsfläche 42 des
Käfigs 40 und
der Krümmungsmittelpunkt
der inneren Umfangsfläche 12 des
als Führungsfläche für die äußere sphärische Fläche 42 des
Käfigs 40 dienenden äußeren Gelenkelementes 10 stimmen
jeweils mit dem Gelenkmittelpunkt 0 überein. Ferner stimmen der
Krümmungsmittelpunkt
der inneren Umfangsfläche 44 des
Käfigs 40 und
der Krümmungsmittelpunkt
der äußeren Umfangsfläche 22 des
als Führungsfläche für die innere
Umfangsfläche 44 des Käfigs 40 dienenden
inneren Gelenkelementes 20 jeweils mit dem Krümmungsmittelpunkt
0 überein.
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In
dieser Ausgestaltung sind der Krümmungsmittelpunkt
01 der Führungsrillen 14 des äußeren Gelenkelementes 10 und
der Krümmungsmittelpunkt
02 der Führungsrillen 24 des
inneren Gelenkelementes 20 auf gegenüber liegenden Seiten des Gelenkmittelpunktes
0 um eine axial gleiche Distanz F versetzt (in dem gezeigten Beispiel
befindet sich der Mittelpunkt 01 auf der Öffnungsseite des Gelenks und
der Mittelpunkt 02 befindet sich auf der innersten Seite des Gelenks).
Mit anderen Worten, der Betrag an Versatz F des Krümmungsmittelpunkts
01 der Führungsrillen 14 ist
gleich dem axialen Abstand zwischen dem Krümmungsmittelpunkt 01 und dem Gelenkmittelpunkt
0, und der Betrag an Versatz F des Krümmungsmittelpunkts 02 der Führungsrillen 24 ist gleich
dem axialen Abstand zwischen dem Krümmungsmittelpunkt 02 und dem
Gelenkmittelpunkt 0; somit sind diese beiden zueinander gleich.
Daher sind die durch die Zusammenwirkung zwischen den Führungsrillen 14 und 24 definierten
Kugellaufbahnen keilförmig,
wobei ein axiales Ende (in der illustrierten Ausgestaltung die Öffnungsseite
des Gelenks) offen ist.
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Ein
den Krümmungsmittelpunkt
01 der Führungsrillen 14 des äußeren Gelenkelementes 10 und den
Mittelpunkt 03 der Drehmomentübertragungskugel 30 verbindendes
Liniensegment hat die gleiche Länge
wie ein Liniensegment, das den Krümmungsmittelpunkt 02 der Führungsrillen 24 des
inneren Gelenkelementes 20 und den Mittelpunkt 03 der Drehmomentübertragungskugeln 30 verbindet,
wobei solche Liniensegmente in 5 mit dem
Bezugszeichen PCR bezeichnet sind. Wenn das äußere und das innere Gelenkelement 10 und 20 eine
Winkelverschiebung um einen Winkel θ durchführen, dann bewirkt der Käfig 40,
dass die Drehmomentübertragungskugeln 30 in
einer Ebene angeordnet werden, die den Winkel θ halbiert, so dass die Gleichlaufeigenschaft
des Gelenks gewährleistet
wird.
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Das
Gleichlaufgelenk dieser Ausgestaltung hat acht Drehmomentübertragungskugeln 30,
was bedeutet, dass der die Gesamtbelastbarkeit des Gelenks ausmachende
Lastanteil pro Drehmomentübertragungskugel
kleiner ist als beim herkömmlichen Gelenk
(das ein Gleichlauffestgelenk mit sechs Kugeln ist, nachfolgend
dasselbe) [sic]; daher ist es für dieselbe
Nenngröße eines
herkömmlichen
Gelenks möglich,
den Durchmesser der Drehmomentübertragungskugeln 30 zu
reduzieren, um die Wanddicken des äußeren und des inneren Gelenkelementes 10 und 20 im
Wesentlichen gleich denen im herkömmlichen Gelenk zu machen.
Ferner ist es bei derselben Nenngröße eines herkömmlichen
Gelenks möglich, den
Außendurchmesser
weiter zu verringern und dabei mehr als die gleiche Festigkeit,
Belastbarkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten. Ferner haben Versuchsergebnisse
bestätigt,
dass das erfindungsgemäße Gelenk
weniger Wärme
erzeugt als das herkömmliche
Gelenk.
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In
einer in 7 gezeigten Ausgestaltung sind
die Führungsrillen 14a des äußeren Gelenkelementes 10a und
die Fülungsrillen 24a des
inneren Gelenkelementes 20a jeweils mit geraden Abschnitten
U1 und U2 versehen, die einen geraden Rillenboden haben, wobei der
Rest der Anordnung wie in der oben beschriebenen und in den 5 und 6 gezeigten
Ausgestaltung ist. Durch die geraden Abschnitte U1 und U2 kann das
Gleichlaufgelenk dieser Ausgestaltung den maximalen Betriebswinkel
im Vergleich zu der in den 5 und 6 gezeigten
Ausgestaltung vergrößern.
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Als
Nächstes
werden die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen
mit Bezug auf die 1A bis 2B beschrieben. 1A zeigt
den maximalen Betriebswinkel (θ max),
den das Gleichlauffestgelenk in der in den 5 und 6 gezeigten
Ausgestaltung ausführt. 2A zeigt
den maximalen Betriebswinkel (θ max),
den das Gleichlauffestgelenk in der in 7 gezeigten
Ausgestaltung ausführt.
Wie aus den 1A und 2A ersichtlich
ist, beinhalten die Faktoren, die die Versatzmenge, axial zum Käfig, des Kontaktpunktes
A zwischen dem äußeren Gelenkelement 10, 10a und
dem Käfig 40 und
des Kontaktpunktes B zwischen dem inneren Gelenkelement 20, 20a und
dem Käfig 40 bestimmen,
die Kontaktpunkte A und B. Um die Versatzmengen der Kontaktpunkte A
und B axial zum Käfig
zu reduzieren, ist vorgesehen, dass der Gelenkpfannendurchmesser ØC des äußeren Gelenkelementes 10, 10a reduziert
oder die Breite D des inneren Gelenkelementes 20, 20a erhöht werden
kann. Vom Standpunkt des Sicherns der Integrierbarkeit des Käfigs 40 her
gesehen, ist die Größenreduzierung
des Gelenkpfannendurchmessers ØC
jedoch begrenzt. Daher wird die Möglichkeit des Erhöhens der
Breite D des inneren Gelenkelementes 20, 20a untersucht.
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Darüber hinaus
wird die Breitenregulierung des inneren Gelenkelementes des herkömmlichen Gleichlauffestgelenks
auf einen Mindestwert eingestellt, bei dem die Kontaktellipse der
Drehmomentübertragungskugeln
nicht während
eines Betriebs mit großem
Winkel hinaus gerät,
indem Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung (Eingangsgewichtsreduzierung)
betrachtet werden. Bei der Messung von Winkel α des herkömmlichen Artikels liegt der Winkel
im Bereich von etwa 19 bis 34 Grad.
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4 zeigt
im Wesentlichen dieselbe Ansicht wie die oben beschriebene 3,
zeigt jedoch, dass die auf die Käfigsäule wirkende
Scherbelastung durch axiales Erweitern des inneren Gelenkelementes,
wie mit gestrichelten Linien gezeigt, verringert werden kann, um
den sphärischen
Rand des äußeren Gelenkelementes
dicht an den sphärischen
Rand des inneren Gelenkelementes zu bringen. Ferner ist ersichtlich,
dass, wenn man die Versatzbeträge
der Punkte A und B axial vom Käfig
gesehen durch den Winkel α reguliert,
der zwischen der geraden Linie entsteht, die die Punkte A und B
und die Mittellinie des Käfigs
verbindet, die Scherbelastung in der Käfigsäule durch Reduzieren des Winkels α gesenkt wird.
Mit anderen Worten, wenn der Winkel α 0 ist, d.h. wenn die die Punkte
A und B verbindende gerade Linie zur Käfigmittellinie parallel ist,
dann ist die Scherbelastung in der Käfigsäule auf ihrem Minimalwert.
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Der
Winkel α wird
anhand der Breite D des inneren Gelenkelementes 20, 20a bestimmt.
Das heißt,
um den Winkel α zu
reduzieren, ist es lediglich notwendig, die Breite D auf einen großen Wert
einzustellen, wie in den 1B und 2B durch
gestrichelte Linien angedeutet ist. Da jedoch die Erhöhung der
Breite D zu einer Erhöhung
des Gewichts des inneren Gelenkelementes 20, 20a führt und
zur Folge hat, dass die Sektion E (1B) und
die Sektion F (2B) scharfkantig werden, muss
die Form des inneren Gelenkelementes 20, 20a optimal
gehalten und der optimale Wert von Winkel α gefunden werden, der die Scherbelastung
in der Käfigsäule verringert.
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Es
wurde eine Probe mit α =
10 Grad für
ein Experiment vorbereitet und festgestellt, dass die Käfigfestigkeit
bei einem Betrieb mit hohem Winkel um 5–14% im Vergleich zu dem herkömmlichen
Artikel verbessert wurde. Die Festigkeitsbeziehung zum Winkel α ist wie
in 8 gezeigt. In dem tatsächlichen Design ist, da die
Breitendimension D des inneren Gelenkelementes 20, 20a abgerundet
ist, der Wert von α nicht
immer eine ganze Zahl. Bei einem Artikel, der wie in 7 gezeigt
ausgestaltet war, betrug α,
obwohl von Größe zu Größe unterschiedlich, etwa
8,2–9,7
Grad. Im Falle des in 5 gezeigten Typs kann es einen
Fall geben, bei dem die Positionsbeziehung der Kontaktpunkte A und
B gegenüber dem,
was illustriert ist, umgekehrt ist, so dass α einen Minuswert erhält. Aus
dem oben Gesagten kann der Schluss gezogen werden, dass der Winkel α vorzugsweise
nicht größer als
10 Grad, bevorzugter nicht größer als
10 Grad und nicht kleiner als 8 Grad ist.
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Darüber hinaus
wurde die Erfindung bisher beispielhaft als auf Gleichlauffestgelenke
mit acht Kugeln angewendet beschrieben; die Erfindung kann jedoch
mit demselben Effekt auch auf einen herkömmlichen 6-Kugel-Typ angewendet
werden.