DE69636726T2

DE69636726T2 - Gleichlaufgelenke

Info

Publication number: DE69636726T2
Application number: DE69636726T
Authority: DE
Inventors: Keisuke Hamamatsu Sone; Kazuhiko Fukuroi Hozumi; Yoshihisa Shuchi Kaneko; Tatsuro Iwata Sugiyama
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: US20020032064A1; US6120382A; EP0802341B2; CN1176683A; DE69636727D1; DE69636726D1; CN1419061A; EP1209373B1; EP0802341B1; AU714553B2; CN1260487C; EP0802341A4; EP1209373A2; CN1087817C; DE69623439D1; US6386983B1; AU1171197A; DE69623439T3; WO1997024538A1; EP1209372A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk, das 8 drehmomentübertragende Kugeln aufweist.
Gleichlaufgelenke werden grob in den festen Typ, der nur die Winkelverschiebung zwischen zwei Achsen zulässt, und in den verschiebbaren Typ eingeteilt, der die Winkelverschiebung und die Axialverschiebung zwischen zwei Achsen zulässt. Eines der Merkmale des Gleichlauffestgelenks ist, dass es in der Lage ist, im Vergleich zum Gleichlaufverschiebegelenk einen hohen Stellwinkel einzunehmen. Zum Beispiel muss das Gleichlauffestgelenk, das in der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, einen maximalen Stellwinkel von z.B. 45° oder mehr aufweisen: Solch ein hoher Stellwinkel kann aber nur mit dem Gleichlauffestgelenk erreicht werden. Andrerseits weist das Gleichlauffestgelenk im Vergleich zum Gleichlaufverschiebegelenk unausweichlich einen inneren Aufbau auf, der ein wenig kompliziert ist.
Ein Aufbau nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US-A-4.405.302 bekannt.
23A und 23B zeigen ein Gleichlaufgelenk des Zepper-Typs, das typisch für das Gleichlauffestgelenk ist. Dieses Gleichlaufgelenk umfasst ein äußeres Gelenkelement 11, das eine sphärische Innenfläche 11a aufweist, die mit sechs axial verlaufenden gebogenen Führungsnuten 11b geformt ist, ein inneres Gelenkelement 12, das eine sphärische Außenfläche 12a aufweist, die mit sechs axial verlaufenden gebogenen Nuten 12b geformt ist, und eine Innenseite, die mit Kerbverzahnungen (oder Keilverzahnungen) 12c zur Verbindung mit einer Welle geformt ist, 6 drehmomentübertragende Kugeln 13, die in Kugellaufbahnen angeordnet sind, die zwischen den Führungsnuten 11b und 12b jeweils des äußeren und inneren Gelenkelements 11 und 12 definiert sind, und einen Käfig 14 zum Zurückhalten der drehmomentübertragenden Kugeln 13.
Die Zentren A und B der Führungsnuten 11b, 12b des äußeren und inneren Gelenkelements 11, 12 sind jeweils in Bezug auf die jeweiligen sphärischen Zentren der Innen- und Außenflächen 11a, 12a um eine gleiche Entfernung in entgegengesetzte Richtungen axial versetzt (das Führungsnutenzentrum A ist zur offenen Seite des Gelenks hin versetzt, und das Führungsnutenzentrum B ist zur Innenseite des Gelenks hin versetzt). Als Ergebnis ist die Kugellaufbahn, die zwischen der entsprechenden Führungsnut 11b und der Führungsnut 12b definiert ist, keilförmig zur offenen Seite des Gelenks hin erweitert. Die sphärischen Zentren der Innen- und Außenflächen 11a, 12a der äußeren und inneren Gelenkelemente 11 und 12 sind in der Gelenkmittelebene O angeordnet, die die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln 13 enthält.
Wenn das äußere und innere Gelenkelement 11 und 12 eine Winkelverschiebung vom Winkel θ durchführen, werden die drehmomentübertragenden Kugeln 13, die vom Käfig 14 geführt werden, ungeachtet des Werts des Stellwinkels θ in der Halbierungsebene (θ/2) gehalten, die den Winkel θ halbiert, und dadurch wird der Gleichlauf gewährleistet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleichlaufgelenk dieses Typs kompakter zu machen und eine Festigkeit, Belastbarkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten, die mindestens der einer vergleichbaren Vorrichtung (wie z.B. ein 6-Kugel-Gleichlaufgelenk wie in 23 gezeigt) entspricht.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, stellt die Erfindung ein Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1 bereit.
Das Verhältnis r1 (= PCD_BALL/D_BALL) des Lochkreisdurchmessers (PCD_BALL) der drehmomentübertragenden Kugeln zum Durchmesser (D_BALL) der drehmomentübertragenden Kugeln liegt im Bereich von 3,3 ≤ r1 ≤ 5,0. Der Lochkreisdurchmesser (PCD_BALL) der drehmomentübertragenden Kugeln entspricht dem Zweifachen der Länge eines Geradenabschnitts, der die Zentren der Führungsnuten des äußeren oder inneren Gelenkelements und die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln verbindet (die Länge eines Geradenabschnitts, der die Zentren der Führungsnut des äußeren Gelenkelements und die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln verbindet, und die Länge eines Geradenabschnitts, der die Zentren der Führungsnut des inneren Gelenkelements und die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln verbindet, sind gleich), wodurch der Gleichlaufcharakter des Gelenks gewährleistet ist, wobei diese Länge nachstehend als (PCR) bezeichnet wird; folglich ist PCD_BALL = 2 × PCR.
Der Grund für die Wahl von 3,3 ≤ r1 ≤ 5,0 ist, dass die Festigkeit des äußeren Gelenkelements, die Belastbarkeit und die Haltbarkeit des Gelenks mindestens so hoch sein sollten wie bei einer vergleichbaren Vorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk). Das heißt, in Gleichlaufgelenken ist es sehr schwer, den Durchmesser (PCD_BALL) der drehmomentübertragenden Kugeln im beschränkten Raum drastisch zu verändern. Dementsprechend ist der Wert von r1 hauptsächlich abhängig von dem Durchmesser D_BALL der drehmomentübertragenden Kugeln.
Wenn r1 < 3,3 (hauptsächlich, wenn der Durchmesser D_BALL groß ist), wäre die Dicke der anderen Teile (des äußeren Gelenkelements, inneren Gelenkelements usw.) zu klein, was zu Festigkeitsproblemen führen würde. Wenn r1 > 5,0 (hauptsächlich, wenn der Durchmesser D_BALL klein ist), wäre demgegenüber die Belastbarkeit zu klein, was zu Haltbarkeitsproblemen führen würde. Es bestände auch die Gefahr, dass der Oberflächendruck auf die Kontaktfläche zwischen den drehmomentübertragenden Kugeln und den Führungsnuten zunimmt (weil die Kontaktovalfläche mit abnehmendem Durchmesser D_BALL zunimmt), was eine Hauptursache für die Abspannung der Kanten der Führungsnuten darstellt.
Der Bereich von 3,3 ≤ r1 ≤ 5,0 sorgt für einen höheren Grad der Festigkeit des äußeren Gelenkelements, der Belastbarkeit und Haltbarkeit des Gelenks als bei der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk). Dies wird in gewissem Umfang durch Tests nachgewiesen.
Wie in Tabelle 1 gezeigt (die die Schätzung der Ergebnisse von Vergleichstests zeigt), wurde bei r1 = 3,2 keine ausreichende Festigkeit für die äußeren und inneren Gelenkelemente und den Käfig erreicht, was ein unerwünschtes Ergebnis ist. Bei r1 = 3,3 oder r1 = 3,4 wurde ein ziemlich gutes Ergebnis in Bezug auf die Festigkeit erreicht. Vor allem bei r1 ≥ 3,5 wurde für das innere und äußere Gelenkelement und den Käfig eine ausreichende Festigkeit erreicht, was elf erwünschtes Ergebnis ist. Ferner wird angenommen, dass für den Bereich r1 > 3,9 elf Ergebnis erhalten wird, das so gut ist wie das obige, auch wenn keine Tests durchgeführt wurden. Doch bei r1 > 5 ist zu erwarten, dass Probleme hinsichtlich der Haltbarkeit und der äußeren und inneren Gelenk(elemente) auftreten, weshalb r1 ≤ 5,0 wünschenswert ist.
Aufgrund des obigen ist es wünschenswert, das r1 im Bereich von 3,3 ≤ r1 ≤ 5,0 liegt, bevorzugt 3,5 ≤ r1 ≤ 5,0.
Zusätzlich zur obigen Anordnung liegt das Verhältnis r2 (= D_OUTER/PCD_SERR) des Außendurchmessers (D_OUTER) des äußeren Gelenkelements zum Lochkreisdurchmesser (PCD_SERR) des Zahnprofils, das in der Innenfläche des inneren Gelenkelements 2 geformt ist, im Bereich von 2,5 ≤ r2 ≤ 3,5.
Der Grund für die Wahl von 2,5 ≤ r2 ≤ 3,5 ist wie folgt: Der Lochkreisdurchmesser (PCD_SERR) kann aufgrund der Beziehung zur Festigkeit der Anschlusswelle nicht stark verändert werden. Deshalb hängt der Wert von r2 vom Außendurchmesser (D_OUTER) des äußeren Gelenkelements ab. Wenn r2 < 2,5 (was hauptsächlich auftritt, wenn der Außendurchmesser D_OUTER klein ist), wäre die Wanddicke jedes Teils (äußeres und inneres Gelenkelement usw.) zu dünn, was ein Problem in Bezug auf die Festigkeit zur Folge hätte. Andrerseits, bei r2 > 3,5 (was hauptsächlich auftritt, wenn der Außendurchmesser D_OUTER groß ist), tritt in manchen Fällen ein Problem hinsichtlich der Abmessungen auf und die Aufgabe, das Gelenk kompakt zu machen, könnte nicht erreicht werden. Der Bereich von 2,5 ≤ r2 ≤ 3,5 sorgt für einen höheren Grad der Festigkeit des äußeren Gelenkelements und der Belastbarkeit des Gelenks als bei der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) und ist in der Praxis zufriedenstellend. Insbesondere die Einstellung des Bereichs auf 2,5 ≤ r2 < 3,2 bietet den Vorzug, dass sie es ermöglicht, den Außendurchmesser im Vergleich zur Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk derselben Nenngröße: Gewöhnlich r2 ≥ 3,2) zu reduzieren.
Daher liegt r2 im Bereich von 2,5 ≤ r2 ≤ 3,5, bevorzugt 2,5 ≤ r2 ≤ 3,2.
Die Kugellaufbahnen, die in einer Richtung der Axialrichtung keilförmig erweitert sind, werden erhalten, indem die Zentren der Führungsnuten des inneren und äußeren Gelenkelements jeweils in Bezug auf die sphärischen Zentren ihrer Außen- und Innenfläche um eine Entfernung (F) in entgegengesetzte Richtungen versetzt sind. Das Verhältnis R1 (= F/PCR) des Versatzes (F) zu PCR, das oben beschrieben wurde, ist auf den Bereich von 0,069 ≤ R2 ≤ 0,121 eingestellt.
Der Grund für die Wahl von 0,069 ≤ R1 ≤ 0,121 ist wie folgt: Wenn angenommen wird, dass PCR feststeht, wird während des Anlegens eines Stellwinkels allgemein mit zunehmendem Versatz (F) die Laufbahnbelastung kleiner (das heißt, die Last, die an der Kontaktfläche zwischen den Führungsnuten und den drehmomentübertragenden Kugeln anliegt); daher kann in Bezug auf die Belastung gesagt werden, dass ein größerer Versatz (F) vorteilhafter ist.
Wenn der Versatz (F) aber zu groß ist:

(i) wird das Drehmoment im hohen Stellwinkelbereich reduziert, was die Abnahme des zulässigen Lastmoments nach sich zieht;
(ii) in den Käfigtaschen nimmt die Menge der Radialbewegung der drehmomentübertragenden Kugeln zu, weshalb es erforderlich ist, die Wanddicke (Radialabmessung) des Käfigs zu erhöhen, um das Abweichen der drehmomentübertragenden Kugeln zu vermeiden; und
(iii) nimmt in den Käfigtaschen die Menge der Umfangsbewegung der drehmomentübertragenden Kugeln zu, weshalb es erforderlich ist, die Umfangsabmessung des Käfigs zu erhöhen, um die korrekte Bewegung der drehmomentübertragenden Kugeln zu gewährleisten und ihr Abweichen zu vermeiden. Dadurch werden die Stäbe des Käfig dünner, was ein Problem hinsichtlich der Festigkeit zur Folge hat.

Andrerseits, wenn der Versatz (F) zu klein ist:

(iv) nehmen während des Anlegens eines Stellwinkels die Spitzenwerte der Laufbahnbelastung (P1) auf der Lastseite und der Laufbahnbelastung auf der Nichtlastseite (P2: während 1 Umdrehung tritt eine Phase auf, in der die Nichtastseite belastet wird) zu, (P1 und P2 geben Spitzenwerte in einem vorbestimmten Phasenwinkel an), was eine geringere Haltbarkeit nach sich zieht; und
(v) der maximale Stellwinkel nimmt ab.

Daher sind sowohl zu große als auch zu kleine Versatzmengen (F) unerwünscht, und es sollte einen Optimalbereich geben, in dem die Probleme in (i), (ii) und (iii) mit den Problemen in (iv) und (v) ausgewogen sind. Doch der Optimalbereich des Versatzes (F) variiert mit der Größe des Gelenks und muss deshalb in Bezug auf die Nenngröße des Gelenks bestimmt werden. Dies erklärt die Verwendung des Verhältnisses R1 (= F/PCR). Wenn R1 > 0,121, treten die Probleme von (i), (ii), (iii) auf, und wenn R1 > 0,069, die Probleme von (iv) und (v). Im Hinblick auf die Gewährleistung des zulässigen Lastmoments, der Gewährleistung der Käfigfestigkeit, der Verringerung der Laufbahnbelastung, der Gewährleistung der Haltbarkeit und der Gewährleistung des maximalen Stellwinkels ist der Optimalbereich für den Versatz (F) 0,069 ≤ R1 ≤ 0,121. Die Obergrenze (0,121) von R1 ist erheblich kleiner als der Normalwert von R1 (der allgemein 0,14 beträgt) in der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk). Es kann gesagt werden, dass die vorliegende Vorrichtung in Bezug auf die Verbesserung des zulässigen Drehmoments und der Käfigfestigkeit um so mehr erreicht, je kleiner R1 im Vergleich zur Vergleichsvorrichtung ist. Der Erfolg der Einstellung von R1 innerhalb dieses Bereichs ist auf die Tatsachen zurückzuführen, dass die vorliegende Vorrichtung mit 8 drehmomentübertragenden Kugeln versehen ist, was hinsichtlich der Laufbahnbelastung vorteilhafter ist als bei der Vergleichsvorrichtung (dies wird durch theoretische Analyse belegt), und dass der Temperaturanstieg im Vergleich zur Vergleichsvorrichtung relativ gering ist (was durch Experimente nachgewiesen wird, siehe 11 und 12). Wenn R1 in der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) auf diesen Bereich eingestellt wäre, würde die Laufbahnbelastung zu hoch werden, was eine Verringerung der Haltbarkeit zur Folge hätte.
Zusätzlich zur obigen Anordnung können die sphärischen Zentren der Außen- und Innenfläche des Käfigs in Bezug auf die Gelenkmittelebene, die die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln enthält, axial in entgegengesetzte Richtungen um die gleiche Entfernung (f) versetzt sein. In diesem Fall ist es empfehlenswert, dass das Verhältnis R2 (= f/PCR) des Versatzes (f) zu PCR im Bereich 0 < R2 ≤ 0,052 liegt.
Der Grund für die Wahl von 0 < R2 ≤ 0,052 ist wie folgt: Allgemein erhöht das Vorsehen des Versatzes (f) die Fläche der Innenseite des Käfigs, und die resultierende Abnahme der Wärmeerzeugung verbessert die Haltbarkeit und erlaubt die Erhöhung der Wanddicke der Einführöffnung des Käfig, in dem das innere Gelenkelement eingebaut ist, was den Vorzug aufweist, dass die Festigkeit erhöht wird.
Wenn der Versatz (f) aber zu groß ist,

(i) nimmt die Bewegungsmenge der drehmomentübertragenden Kugeln in der Umfangsrichtung der Käftgtaschen zu, so dass die Notwendigkeit auftritt, die Umfangsabmessung des Käfigs zu erhöhen, um die korrekte Bewegung der drehmomentübertragenden Kugeln zu gewährleisten; und
(ii) wird die Wanddicke des Abschnitts des Käfigs, der der Einführöffnung gegenüberliegt, dünner, was ein Problem in Bezug auf die Festigkeit verursacht.

Aus dem obigen ist zu ersehen, dass ein zu großer Versatz (f) nicht wünschenswert ist und dass es einen Optimalbereich gibt, in dem die Signifikanz des Vorsehens des Versatzes (f) mit den Problemen von (i) und (ii) ausgeglichen werden kann. Doch da der Optimalbereich des Versatzes (f) mit der Größe des Gelenks variiert, muss er Bezug auf die Nenngröße des Gelenks bestimmt werden. Dies erklärt die Verwendung des Verhältnisses R2 (= f/PCR). Wenn R2 > 0,052 treten die Probleme von (i) und (ii) auf. Im Hinblick auf die Gewährleistung der Käfigfestigkeit und Haltbarkeit liegt der Optimalbereich des Versatzes (f) bei 0 < R2 ≤ 0,052.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist ein Längsschnitt, der ein Gleichlaufgelenk nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und 1B ist ein Querschnitt davon;
2A ist eine Vorderansicht eines Außenrings, 2B ist ein partieller Längsschnitt, 2C ist eine vergrößerte Vorderansicht einer Führungsnut, und 2D ist ein vergrößerter Längsschnitt des Endes des Außenrings;
3A ist eine Vorderansicht eines Innenrings, und 3B ist ein Längsschnitt des Innenrings;
4A ist ein Querschnitt des Käfigs, und 4B ist ein Längsschnitt des Käfigs;
5 ist eine Ansicht, die zeigt, wie der Innenring in den Käfig eingebaut wird;
6A und 6B sind Ansichten, die zeigen, wie der Innenring in den Käfig eingebaut wird;
7A ist ein Längsschnitt, der eine andere Käfigform zeigt, und 7B ist eine Ansicht, die zeigt, wie der Innenring in solch einen Käfig eingebaut wird;
8A und 8B sind Ansichten, die zeigen, wie Kugeln in die Taschen des Käfigs eingebaut werden;
9A und 9B sind Ansichten, die die Bewegung der Kugeln in den Taschen zeigen, wenn der Stellwinkel α ist, wobei 9A einer Anordnung entspricht, in welcher der Käfig nicht mit einem Versatz versehen ist, und 9B einer Anordnung entspricht, in welcher der Käfig mit einem Versatz versehen ist;
10 ist ein partiell vergrößerter Querschnitt, der die Nachbarschaft einer Tasche im Käfig zeigt;
11A, 11B und 11C sind Graphen, die die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Temperaturanstieg zeigen;
12 ist ein Graph, der die zeitabhängige Änderung des Temperaturanstiegs zeigt;
13 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Stellwinkel und dem Drehmomentverlustfaktor zeigt;
14 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Betriebsdauer und der Verschleißtiefe der Käfigtaschen zeigt;
15A ist ein Längsschnitt, der ein Gleichlaufgelenk nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und 15B ist ein Querschnitt davon;
16 ist eine Ansicht, die zeigt, wie der Innenring in den Käfig eingebaut wird;
17A und 17B sind Ansichten, die zeigen, wie der Innenring in den Käfig eingebaut wird;
18A ist ein Längsschnitt, der eine andere Käfigform zeigt, und 18B ist eine Ansicht, die zeigt, wie der Innenring in solch einen Käfig eingebaut wird;
19A und 19B sind partiell vergrößerte Querschnitte, die die Nachbarschaft einer Tasche im Käfig zeigen;
20A ist ein Längsschnitt, der ein Gleichlaufgelenk nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und 20B ist ein Querschnitt davon;
21 ist eine Ansicht, die ein Beispiel (Antriebswelle) einer Kraftübertragungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs zeigt;
22 ist eine Ansicht, die eine Änderung der Lagebeziehung des Zentrums der Führungsnuten des äußeren Gelenkelements, des Zentrums der Führungsnuten des inneren Gelenkelements, des sphärischen Zentrums der Innenfläche des äußeren Gelenkelements (des sphärischen Zentrums der Außenfläche des Käfigs) und des sphärischen Zentrums der Außenfläche des inneren Gelenkelements (des sphärischen Zentrums der Innenfläche des Käfigs) zeigt; und
23A zeigt ein Beispiel eines Gleichlauffestgelenks mit 6 drehmomentübertragenden Kugeln, und 23B ist ein Querschnitt davon.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der Erfindung werden nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1A und 1B gezeigt, umfasst ein Gleichlaufgelenk in dieser Ausführungsform ein äußeres Gelenkelement 1, das 8 gebogene Führungsnuten 1b aufweist, die in seiner sphärischen Innenfläche 1a geformt sind, ein inneres Gelenkelement 2, das 8 gebogene Führungsnuten 2b aufweist, die in seiner sphärischen Außenfläche 2a geformt sind, und Kerbverzahnungen (oder Keilverzahnungen) 2c, die zur Verbindung mit einem Wellenabschnitt 5 auf der Innenseite geformt sind, 8 drehmomentübertragende Kugeln 3, die in Kugellaufbahnen angeordnet sind, die zwischen den Führungsnuten 1b und 2b des äußeren und inneren Gelenkelements 1 und 2 definiert werden, und einen Käfig 4 zum Zurückhalten der drehmomentübertragenden Kugeln 3.
In dieser Ausführungsform sind die Zentren O1 und O2 der Führungsnuten 1b und 2b des äußeren und inneren Gelenkelements 1 und 2 jeweils in Bezug auf die sphärischen Zentren der Innen- und Außenfläche 1a und 2a um eine gleiche Entfernung in entgegengesetzte Richtungen axial versetzt (das Zentrum O1 ist zur offenen Seite des Gelenks hin versetzt, und das Zentrum O2 ist zur Innenseite des Gelenks hin versetzt). Als Ergebnis ist die Kugellaufbahn, die zwischen der Führungsnut 1b und der dieser entsprechenden Führungsnut 2b definiert wird, zur offenen Seite des Gelenks hin keilförmig erweitert.
Das sphärische Zentrum der Außenfläche 4a des Käfigs 4 und das sphärische Zentrum der Innenfläche 1a des äußeren Gelenkelements 1, die der Außenfläche 4a des Käfigs 4 als Führungsfläche dient, sind in der Gelenkmittelebene O angeordnet, die die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln 3 enthält. Ferner sind das sphärische Zentrum der Innenfläche 4b des Käfigs 4 und das sphärische Zentrum der Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2, die der Innenfläche 4b des Käfigs 4 als Führungsfläche dient, in der Gelenkmittelebene O angeordnet. Daher entspricht in dieser Ausführungsform die Versatzmenge (F) des äußeren Gelenkelements 1 der axialen Entfernung zwischen dem Zentrum O1 der Führungsnuten 1b und der Gelenkmittelebene 0, während die Versatzmenge (F) des inneren Gelenks 2 der axialen Entfernung zwischen dem Zentrum O2 der Führungsnuten 2b und der Gelenkmittelebene O entspricht; demnach sind beide gleich. Das Zentrum O1 der Führungsnuten 1b des äußeren Gelenkelements 1 und das Zentrum O2 der Führungsnuten 2b des inneren Gelenkelements 2 sind in Bezug auf die Gelenkmittelebene O um die gleiche Entfernung (F) in entgegengesetzte Richtungen axial versetzt (das Zentrum O1 ist zur offenen Seite des Gelenks hin versetzt, und das Zentrum O2 ist zur Innenseite des Gelenks hin versetzt). Die Länge eines Geradenabschnitts, der das Zentrum O1 der Führungsnuten 1b des äußeren Gelenkelements 1 und die Zentren O3 der drehmomentübertragenden Kugeln 3 verbindet, und die Länge eines Geradenabschnitts, der das Zentrum O2 der Führungsnuten 2b des inneren Gelenkelements 2 und die Zentren O3 der drehmomentübertragenden Kugeln 3 verbindet, entsprechen beide PCR; demnach sind beide gleich.
Wenn das äußere und innere Gelenkelement 1 und 2 eine Winkelverschiebung um einen Winkel θ durchführen, werden die drehmomentübertragenden Kugeln 3, die vom Käfig 4 geführt werden, in einer Halbierungsebene (θ/2) gehalten, die den Winkel θ bei jedem Stellwinkel θ halbiert, wodurch der Gleichlauf für das Gelenk gewährleistet ist.
In dieser Ausführungsform sind zusätzlich zur obigen Anordnung die Hauptabmessungen des Gelenks auf die folgenden Werte eingestellt.
(1) Das Verhältnis r1 (= PCD_BALL/D_BALL) des Lochkreisdurchmessers PCD_BALL (PCD_BALL = 2 × PCR) der drehmomentübertragenden Kugeln 3 zu ihrem Durchmesser D_BALL liegt im Bereich von 3,3 ≤ r1 ≤ 5,0, bevorzugt 3,5 ≤ r1 ≤ 5,0 (oder 3,5 < r1 ≤ 5,0), wobei diese Einstellung im Hinblick auf die Gewährleistung der Festigkeit, der Belastbarkeit und Haltbarkeit des äußeren Gelenkelements usw. zu bevorzugen ist. In dieser Ausführungsform ist r1 aber so eingestellt, dass r1 = 3,83. Ferner ist (2) das Verhältnis r2 (= D_OUTER/PCD_SERR) des Außendurchmessers D_OUTER des äußeren Gelenkelements 1 zum Lochkreisdurchmesser PCD_SERR der Kerbverzahnung (oder Keilverzahnung) 2c des inneren Gelenkelements 2 auf den Bereich von 2,5 ≤ r2 ≤ 3,5 eingestellt, zum Beispiel auf 2,5 ≤ r2 ≤ 3,2. Außerdem kann die Anordnung (1) allein verwendet werden.
Gelenke der Anordnungen (1) und (2) wurden mit Vergleichsvorrichtungen (6-Kugel-Gleichlaufgelenke wie in 23 gezeigt) derselben Nenngröße wie die dieser Gelenke verglichen, und die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt.
Das Gleichlaufgelenk in dieser Ausführungsform weist 8 drehmomentübertragende Kugeln 3 auf und das Verhältnis der Gesamtlast am Gelenk zur Last, die von einer drehmomentübertragenden Kugel getragen wird, ist klein (im Vergleich zum 6-Kugel-Gleichlaufgelenk), wodurch es möglich wird, den Durchmesser D_BALL der drehmomentübertragenden Kugeln 3 im Vergleich zum 6-Kugel-Gleichlaufgelenk derselben Nenngröße zu verkleinern und die jeweiligen Dicken der inneren und äußeren Gelenkelemente 1 und 2 im Wesentlichen gleich groß wie die der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) zu machen.
Ferner, im Vergleich zur Vergleichsvorrichtung derselben Nenngröße (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) kann das vorliegende Gelenk kompakt gemacht werden, wobei das Verhältnis r2 (= D_OUTER/PCD_SERR) zugleich reduziert werden kann (2,5 ≤ r2 < 3,2) und die Festigkeit, Belastbarkeit und Haltbarkeit mindestens der der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) entsprechen.
Es ist empfehlenswert, die Versatzmenge der Führungsnuten 1b und 2b wie folgt einzustellen. Wie oben beschrieben, ist es (3) hinsichtlich der Gewährleistung des zulässigen Lastmoments, der Gewährleistung der Käfigfestigkeit, der Verringerung der Laufbahnbelastung, der Gewährleistung der Haltbarkeit und der Gewährleistung des maximale Stellwinkels wünschenswert, dass das Verhältnis R1 (= F/PCR) auf den Bereich von 0,069 ≤ R1 ≤ 0,121 eingestellt wird. Doch in dieser Ausführungsform ist R1 = 0,104 (oder 0,1038). Der Normalwert von R1 für die Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) ist 0,14. Das R1 dieser Ausführungsform ist erheblich kleiner als das der Vergleichsvorrichtung.
2A bis 2D zeigen das äußere Gelenkelement. Eine Region in der offenen Seite der Innenfläche 1a des äußeren Gelenkelements 1 ist mit einem zylindrischen Schnitt 1a1 zum Einbauen des Käfigs 4 in die Innenfläche 1a geformt. Beim Einbau des Käfigs 4 werden, mit den Achsen, die angeordnet sind, im sich in rechten Winkeln zu schneiden, wie in 2A gezeigt, die Taschen 4c des Käfigs 4 (der eine Einheit ist, bei der das innere Gelenkelement 2 in der Innenseite 4b des Käfigs integriert ist) in den zylindrischen Schnitt 1a1 eingeführt. Auf diese Weise wird der Käfig 4 eingeführt, bis das sphärische Zentrum der Außenfläche 4a mit dem sphärischen Zentrum der Innenfläche 1a des äußeren Gelenkelements übereinstimmt. In diesem Zustand wird der Käfig 4 um 90 Grad gedreht, bis die Achse des Käfigs mit der Achse des äußeren Gelenkelements 1 übereinstimmt. Damit ist der Käfig (zusammen mit dem inneren Gelenkelement 2) komplett in der Innenseite 1a des äußeren Gelenkelements 1 eingebaut.
Ferner, wie in 2C und 2D vergrößert gezeigt, ist eine Region, die mit den Führungsnuten 1b des äußeren Gelenkelements 1 verbunden ist, mit einer Abschrägung 1b1 geformt. Die Abschrägung 1b1 hat eine Funktion, die, wenn die Führungsnuten 1b wärmebehandelt sind (in der Region W in 2D), die Durchhärtung verhindert (d.h. verhindert, dass die offene Endfläche des äußeren Gelenkelements 1 gehärtet wird), und gleichzeitig kann die Abschrägung als Führung benutzt werden, wenn die drehmomentübertragenden Kugeln 3 in die Taschen 4c eingebaut werden.
3A und 3B zeigen das innere Gelenkelement 2. Der Durchmesser der Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 ist A, und die maximale Entfernung über die Außenfläche 2a in einer Längsrichtung parallel zur Ebene S, die die Böden zweier diametral entgegengesetzter Führungsnuten 2b enthält, ist C.
4A und 4B zeigen den Käfig 4. Der Käfig 4 ist mit 8 in der Umfangsrichtung gleich voneinander beabstandeten fensterartigen Taschen 4c versehen, die 8 drehmomentübertragende Kugeln 3 aufnehmen. Von den 8 Taschen 4c sind vier lange Taschen 4c1 mit einer großen Umfangslänge, und die restlichen vier sind kurze Taschen 4c2 mit einer kleinen Umfangslänge, wobei die langen und kurzen Taschen 4c1 und 4c2 alternieren. In dieser Ausführungsform ist der Winkelabstand der vier kurzen Taschen 4c2 90 Grad. Darüber hinaus kann die Anordnung so sein, dass von den 8 Taschen 4c sechs Taschen 4c1 lang sind und die restlichen zwei Taschen 4c2 kurz sind. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den zwei kurzen Taschen 4c2 180 Grad. Die Umfangslänge der kurzen Taschen 4c2 ist so eingestellt, dass die drehmomentübertragenden Kugeln 3 nicht mit der Umfangswandfläche der kurzen Taschen 4c2 interferieren, wenn dieses Gleichlaufgelenk ein Drehmoment im größten Stellwinkel überträgt (der größte Stellwinkel, der für die Funktion als Gelenk zulässig ist, das heißt, der „maximale Stellwinkel" oder der Nennwert basiert auf dem größten Stellwinkel im Bereich des „maximalen Stellwinkels", der in Betrieb zulässig ist). Ferner ist die Umfangslänge der langen Taschen 4c1 so eingestellt, dass während des Einbaus der drehmomentübertragenden Kugeln 3, der durchgeführt wird, indem das äußere und innere Gelenkelement 1 und 2 relativ zueinander gekippt werden, um zu bewirken, dass eine kurze Tasche 4c2 durch die Öffnung des äußeren Gelenkelements 1 nach außen gewandt ist, zuvor eingebaute drehmomentübertragende Kugeln 3 nicht mit den Umfangswandflächen der langen Taschen 4c1 interferieren. Ferner, wie in 5, 6A und 6B gezeigt, ist der Durchmesser (B) der Einführöffnung 4d des Käfigs 4 zum Einbau des inneren Gelenkelements 2 in Bezug auf den in 3A gezeigten Außendurchmesser (A) des inneren Gelenkelements 2 und auf den maximalen Abstand (C) so eingestellt, dass die Beziehung C ≤ B < A erfüllt wird. In der innersten Region der Einführöffnung 4d (d.h., an der Grenze zwischen der Innenfläche 4b und dem Einlass 4d) wird eine Stufe 4e definiert. Doch es ist auch möglich, eine Konfiguration ohne diese Stufe 4e zu verwenden.
Die Einstellung des Durchmessers (B) der Einführöffnung 4d auf den Bereich von C ≤ B < A entstammt der Notwendigkeit, die Haltbarkeit und Festigkeit des Käfigs zu gewährleisten und den Einbau des inneren Gelenkelements 2 in die Innenseite 4b des Käfigs 4 zu berücksichtigen. Beim Einbau des inneren Gelenkelements 2, wie in 5 gezeigt, mit den Achsen, die angeordnet sind, um sich gegenseitig in rechten Winkeln zu schneiden, wird das innere Gelenkelement 2 in die Innenfläche 4b des Käfigs 4 eingeführt, wobei die Führungsnuten 2b des inneren Gelenkelements 2 gegen die Einführöffnung 4d des Käfigs 4 anstoßen. Wenn das innere Gelenkelement 2 auf diese Weise in gewissem Umfang eingeführt ist, wie in 6A gezeigt, wird der maximale Abstand (C) über die Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 hinweg von der Stufe 4e aufgehalten, wodurch keine weitere Einführung des inneren Gelenkelements 2 möglich ist. Dabei sind das sphärische Zentrum O der Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 und das sphärische Zentrum O'' der Innenfläche 4b des Käfigs 4 leicht voneinander verschoben. Danach wird das innere Gelenkelement 2 um 90 Grad gedreht, indem der in 6B gezeigte seitliche Abschnitt T der Stufe 4e des Käfigs 4 verwendet wird, bis die Achse des inneren Gelenkelements 2 und die Achse des Käfigs 4 miteinander übereinstimmen. Dadurch ist das innere Gelenkelement 2 komplett in die Innenseite 4b des Käfigs 4 eingebaut. Überdies können die Teile auf die gleiche Weise wie oben zusammengebaut werden, auch wenn ein Käfig 4 keine Stufe 4e aufweist, wie in 7A und 7B gezeigt. Mit der Achse des inneren Gelenkelements 2, die angeordnet ist, die Achse des Käfigs 4 in rechten Winkeln zu schneiden, kann die Einführung in diesem Fall fortgesetzt werden, bis das sphärische Zentrum O' der Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 und das sphärische Zentrum O'' der Innenfläche 4b des Käfigs 4 miteinander übereinstimmen. Danach wird das innere Gelenkelement 2 in Bezug auf den Käfig 4 um 90 Grad gedreht, bis ihre Achsen übereinstimmen, was den Vorteil aufweist, dass der betreffende Vorgang einfach ist.
Allgemein wird in Gleichlaufgelenken dieses Typs für den Einbau des inneren Gelenkelements 2 in die Innenseite des Käfigs die Umfangslänge einer der Taschen des Käfigs oder zweier diametral entgegengesetzter Taschen größer gemacht als die Axiallänge des inneren Gelenkelements. Und mit den Achsen des inneren Gelenkelements und des Käfigs, die angeordnet sind, um sich im rechten Winken zu schneiden, wird der Einbau so durchgeführt, dass während des Einführens eines Außenflächenabschnitts des inneren Gelenkelements (eines Abschnitts zwischen am Umfang benachbarten Führungsnuten) in diese Taschen mit erhöhter Umfangslänge der Werker das innere Gelenkelement in die Innenseite des Käfigs einführt und das innere Gelenkelement in Bezug auf den Käfig um 90 Grad dreht. Doch dem Aufbau und dem Einbauverfahren solch eines Käfigs gemäß führt die Notwendigkeit, die Umfangslänge mindestens einer Tasche des Käfigs größer als die Axiallänge des inneren Gelenkelements zu machen, zur Verringerung der Fläche der Innen- und Außenseite des Käfigs und zur Verringerung der Umfangsdicke des Stababschnitts zwischen Taschen. Dies ist für die Haltbarkeit und Festigkeit des Käfigs nicht wünschenswert. Weil dem Aufbau und dem Einbauverfahren des Käfigs in der oben beschriebenen Ausführungsform gemäß keine Notwendigkeit besteht, eine Tasche vorzusehen, die eine größere Umfangslänge als die Axiallänge des inneren Gelenkelements aufweist, können die erforderlichen Flächen der Innen- und Außenseite des Käfigs gewährleistet werden und die Umfangsdicke des Stabs zwischen Taschen kann gewährleistet werden, um die Haltbarkeit und Festigkeit des Käfigs zu erhöhen. In der Anordnung mit 8 drehmomentübertragenden Kugeln 3, wie im erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenk, ist die Zahl der Taschen 4c des Käfigs 4 größer als in der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk); deshalb ist die Gewährleistung der Haltbarkeit besonders wichtig.
Das Vorsehen von zwei Arten von Taschen 4c des Käfigs 4, d.h. langen Taschen 4c1 und kurzen Taschen 4c2, dient dazu, die Haltbarkeit und Festigkeit des Käfigs zu gewährleisten und den Einbau der drehmomentübertragenden Kugeln 3 in die Taschen 4c des Käfigs 4 zu berücksichtigen. In Gleichlaufgelenken dieses Typs wird der Einbau der drehmomentübertragenden Kugeln 3 durchgeführt, indem die Einheit aus Käfig 4 und innerem Gelenkelement 2 in die Innenfläche 1a des äußeren Gelenkelements 1 (2A) eingebaut wird und dann, wie in 8A gezeigt, das innere Gelenkelement 2 (und der Käfig 4) in Bezug auf das äußere Gelenkelement 1 winkelverschoben wird.
Wenn nun in Gleichlaufgelenken dieses Typs das äußere und das innere Gelenkelement ein Drehmoment aufeinander übertragen, während sie einen Stellwinkel θ einnehmen, bewegen sich die drehmomentübertragenden Kugeln innerhalb der Taschen des Käfigs in der Umfangs- und Radialrichtung, wenn die Phase in der Rotationsrichtung sich ändert. Und die Bewegungsmenge der drehmomentübertragenden Kugeln nimmt proportional zum Stellwinkel θ zu, wobei der letztere am größten ist, wenn die drehmomentübertragenden Kugeln eingebaut werden (der Stellwinkel θ dabei wird als der „Kugeleinbauwinkel α" bezeichnet, wobei der „Kugeleinbauwinkel α" größer ist als der „maximale Stellwinkel", was der größte Stellwinkel ist, der vom Gelenk eingenommen werden kann, während es die Gelenkfunktion erfüllt). Daher ist die Bewegungsmenge, vor allem die Umfangsbewegungsmenge der drehmomentübertragenden Kugeln am größten, wenn das Gelenk den Kugeleinbauwinkel α einnimmt; deshalb ist es notwendig, beim Einstellen Umfangslänge der Taschen des Käfigs die Umfangsbewegungsmenge der drehmomentübertragenden Kugeln zu berücksichtigen.
In 8B werden die drehmomentübertragenden Kugeln 3 bei 31, 32, ..., 38 in den verschiedenen Phasen der Rotationsrichtung gezeigt. Die drehmomentübertragenden Kugeln 31, 33, 35, 37 sind in den kurzen Taschen 4c2 untergebracht, und die Kugeln 32, 34, 36, 38 sind in den langen Taschen 4c1 untergebracht. Die jeweiligen verschobenen Positionen der drehmomentübertragenden Kugeln 3 in den Taschen 4c in verschiedenen Phasen, wenn das Gelenk den Einbauwinkel α einnimmt, sind wie in 9A gezeigt. Zudem zeigt 9A, wie die drehmomentübertragenden Kugeln sich in der Anordnung bewegen, in der die sphärischen Zentren der Außenfläche 4a und der Innenfläche 4b nicht versetzt sind (die Anordnung, in welcher die sphärischen Zentren in der Gelenkmittelebene O liegen), wie im Fall des Käfigs 4 in dieser Ausführungsform, und 9B zeigt, wie die drehmomentübertragenden Kugeln sich in der Anordnung bewegen, in der die Innen- und Außenfläche des Käfigs in Bezug auf die Gelenkmittelebene O um die gleiche Menge axial versetzt sind.
Die drehmomenttibertragenden Kugeln werden zuerst in die vier langen Taschen 4c1 eingebaut, und dann in die kurzen Taschen 4c2. Wenn zum Beispiel, wie in 8A gezeigt, die drehmomentübertragende Kugel 31 in die kurze Tasche 4c2 eingebaut werden soll, ist die Umfangsbewegung der drehmomentübertragenden Kugel in den Phasen 32, 34, 36, 38 groß und in den Phasen 33, 35, 37 klein (9A und 9B). Wie oben beschrieben, ist die Umfangslänge der langen Taschen 4c1 (die in 8B in den Phasen 32, 34, 36, 38 liegen) so eingestellt, dass die zuvor eingebaute drehmomentübertragende Kugel nicht mit den Umfangswandflächen der langen Taschen 4c1 interferiert, wenn eine drehmomentübertragende Kugel 3 in eine der kurzen Taschen 4c2 (die in der Phase 31 in 8B liegen) eingebaut wird. Ferner ist in der Phase, die in den kurzen Taschen 4c2 liegt (33, 35, 37 in 8B), die Umfangsbewegungsmenge der drehmomentübertragenden Kugeln 3 klein. Dadurch kann die drehmomentübertragende Kugel 31 in die kurze Tasche 4c2 eingebaut werden. Wenn zum Beispiel die drehmomentübertragende Kugel 33 eingebaut werden soll, liegen die langen Taschen 4c1 in den Phasen 32, 34, 36, 38, und in den Phasen 31, 35, 37 ist die Umfangsbewegungsmenge der drehmomentübertragenden Kugeln 3 dementsprechend klein. Dadurch kann die drehmomentübertragende Kugel 33 in die kurze Tasche 4c2 eingebaut werden. Auf diese Weise können drehmomentübertragende Kugeln 3 in alle kurzen Taschen eingebaut werden. (Da drehmomentübertragende Kugeln bereits zuvor in die langen Taschen 4c1 eingebaut wurde, können die drehmomentübertragenden Kugeln 3 folglich in alle Taschen 4c eingebaut werden). Beim Einbau der Kugeln 3 in die Taschen 4c dient die Abschrägung 1b1 des äußeren Gelenkelements 1 dazu, die Kugeln 3 zu führen (siehe 8A).
Allgemein wie in Gleichlaufgelenken dieses Typs die Umfangslänge der Taschen des Käfigs auf der Basis der Höchstmenge der Umfangsbewegung der drehmomentübertragenden Kugel in der Tasche während des Kugeleinbaus eingestellt (wie oben beschrieben, wird die Umfangslänge mindestens einer Tasche größer gemacht als die Axiallänge des inneren Gelenkelements), und dies führt zur Verkleinerung der Fläche der Innen- und Außenfläche des Käfigs und zur Verringerung der Umfangsdicke des Stabs zwischen Taschen und ist im Hinblick auf die Haltbarkeit und Festigkeit des Käfigs nicht wünschenswert. Diesbezüglich ist im Gleichlaufgelenk dieser Ausführungsform die Umfangslänge der langen Taschen 4c1 des Käfigs 4 auf der obigen Basis eingestellt, und die Umfangslänge der kurzen Taschen 4c2 ist auf der Basis der Höchstmenge der Umfangsbewegung der drehmomentübertragenden Kugel 3 in der Tasche während der Drehmomentübertragung eingestellt, wenn das Gleichlaufgelenk den maximalen Winkel eingenommen hat (dieser Winkel ist kleiner als der „Kugeleinbauwinkel α"). Solch eine Anordnung ermöglicht es, die Flächen der Innen- und Außenfläche des Käfigs, die Umfangsdicke der Stäbe zwischen Taschen und die Haltbarkeit und Festigkeit des Käfigs zu gewährleisten.
Ferner können in der Anordnung, in der die sphärischen Zentren der Außen- und Innenfläche 4a und 4b nicht versetzt sind, wie im Käfig 4 dieser Ausführungsform, die zwei Umfangswandflächen 4c11 der Taschen die Form von parallelen ebenen Flächen (10A) aufweisen, oder von konkav gekrümmten Flächen, die der Oberflächenkrümmung der drehmomentübertragenden Kugeln entsprechen, weil die Bewegungen der drehmomentübertragenden Kugeln 3 in den Taschen, wie in 9A gezeigt, für die Innen- und Außenfläche des Käfigs gleich sind.
Wenn das äußere Gelenkelement 1, das innere Gelenkelement 2, der Käfig 4 und die drehmomentübertragenden Kugeln auf die oben beschriebene Weise zusammengebaut worden sind, ist das in 1A und 1B gezeigte Gleichlaufgelenk dieser Ausführungsform fertig. Der Kerbverzahnung (oder Keilverzahnung) 2c des inneren Gelenkelements 2 sind mit der Welle 5 verbunden. Ferner besteht die Welle 5 in dieser Ausführungsform aus Borstahl, um die Größe der Welle 5 zu verringern (der Durchmesser des Abschnitts, der mit dem offenen Ende des äußeren Gelenkelements interferiert, ist reduziert, wobei der der Durchmesser des verzahnten Abschnitts der gleiche ist wie der der Vergleichsvorrichtung). Der Zweck der Verkleinerung des Durchmessers der Welle 5 liegt darin, einen erhöhten Stellwinkel zu berücksichtigen. In einem Versuchsmodell wurde für ein Antriebswellengelenk für Kraftfahrzeuge ein maximaler Stellwinkel von über 45° benötigt.
11A bis 11C zeigen die Ergebnisse von Vergleichstests der Vorrichtung der Ausführungsform und der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) für die Beziehung zwischen Drehzahl (U/min.) und Temperaturanstieg (°C). In den Zeichnungen bezieht sich X (gestrichelte Linie mit weißen Kreisen) auf die Vorrichtung der Ausführungsform, und Y (durchgezogene Linie mit schwarzen Punkten) bezieht sich auf die Vergleichsvorrichtung, und der Temperaturanstieg (°C) wurde nach 30 Minuten Betriebzeit gemessen. Und θ ist der Stellwinkel des Gelenks, und T ist das Eingangsdrehmoment.
Wie aus den gezeigten Testergebnissen hervorgeht, ist der Temperaturanstieg in der Vorrichtung der Ausführungsform (X) niedriger als der in der Vergleichsvorrichtung (Y), wobei die Differenz zwischen diesen mit zunehmender Drehzahl großer wird. Die Verringerung der Temperatur führt zu einer verbesserten Haltbarkeit. Ferner wird angenommen, dass solch eine Verringerung des Temperaturanstiegs ungeachtet des Stellwinkels (θ) und des Eingangsdrehmoments (T) erreicht werden kann.
12 zeigt die Ergebnisse von Vergleichstests der Vorrichtung der Ausführungsform und der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) (beide derselben Nenngröße) für die zeitabhängige Änderung des Temperaturanstiegs. In den Zeichnung bezieht sich X (gestrichelte Linie mit weißen Kreisen) auf die Vorrichtung der Ausführungsform, und Y (durchgezogene Linie mit schwarzen Punkten) bezieht sich auf die Vergleichsvorrichtung, und θ ist der Stellwinkel des Gelenks, und T ist das Eingangsdrehmoment.
Wie aus den gezeigten Testergebnissen hervorgeht, ist der Temperaturanstieg in der Ausführungsform (X) vergleichsweise niedriger als der in der Vergleichsvorrichtung (Y), wobei die Differenz zwischen diesen sich auch mit länger werdender Betriebszeit nicht viel verändert.
13 zeigt die Ergebnisse von Vergleichstests der Ausführungsform und der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) (beide derselben Nenngröße) für die Beziehung zwischen dem Stellwinkel θ (in Grad) und den Drehmomentverlustfaktor (%). In den Zeichnungen bezieht sich X (gestrichelte Linie mit weißen Kreisen) auf die Vorrichtung der Ausführungsform, und Y (durchgezogene Linie mit schwarzen Punkten) bezieht sich auf die Vergleichsvorrichtung, und der Drehmomentverlustfaktor wurde für θ = 10 Grad beim Eingangsdrehmoment 196 Nm gemessen, und für θ = 30 Grad bei 98 Nm.
Wie aus dieser Zeichnung hervorgeht, ist der Drehmomentverlustfaktor bei der Ausführungsform (X) kleiner als der bei der Vergleichsvorrichtung (Y), wobei die Differenz dazwischen mit zunehmendem Stellwinkel θ großer wird. Die Verringerung des Drehmomentverlustfaktors trägt zur Kraftstoffeinsparung und Energieeinsparung bei, und auch zur Verringerung des Temperaturanstiegs und dadurch zu einer verbesserten Haltbarkeit.
Tabelle 3 zeigt die Beobachtungsergebnisse an der Vorrichtung der Ausführungsform und der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk) (beide derselben Nenngröße) darüber, wie sehr das äußere Gelenkelement, das innere Gelenkelement, der Käfig und die drehmomentübertragenden Kugeln nach 300 Stunden Betriebszeit beschädigt waren. Was den Käfig anbetrifft, wurde die Verschleißhefe in den Taschen gemessen, und die Ergebnisse werden in 14 gezeigt. Die Testbedingungen waren ein Stellwinkel θ = 6 Grad, ein Eingangsdrehmoment T = 1078 Nm, 200 U/min. und eine Gesamtzahl der Umdrehungen von 3,60 × 10⁶. Darüber hinaus wurden die Tests jeweils für die Vorrichtung der Ausführungsform und die Vergleichsvorrichtung mit zwei Prüflingen durchgeführt (wobei die Vorrichtungen der Ausführungsform jeweils durch die Nummer 1 und 2 angegeben sind und die Vergleichsvorrichtungen durch die Nummer 3 und 4), und die in Verschleißtiefe, die 14 gezeigt wird, ist der Mittelwert für die zwei Prüflinge.
Wie aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen hervorgeht, wurde sowohl bei der Vorrichtungen der Ausführungsform als auch bei den Vergleichsvorrichtungen an keinem Teil ein Schaden festgestellt. Ferner, wie aus den in 11 gezeigten Ergebnissen hervorgeht, war die Verschleißtiefe der Käfigtaschen in der Vorrichtung der Ausführungsform (X) geringer als die in der Vergleichsvorrichtung (Y).
Wie bisher beschrieben wurde, ist das Gleichlaufgelenk dieser Ausführungsform kompakt geformt, und dennoch sind seine Belastbarkeit und Haltbarkeit mindestens so hoch wie bei der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlaufgelenk).
16A und 16B zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung. Die Zentren O1 und O2 der Führungsnuten 1b und 2b des inneren und äußeren Gelenkelements 1 und 2 sind jeweils in Berg auf die sphärischen Zentren O4 und O5 der Innen- und Außenfläche 1a und 1b jeweils um eine gleiche Entfernung F in entgegengesetzte Richtungen versetzt.
Ferner sind in dieser Ausführungsform das sphärische Zentrum des Außenfläche 4a' des Käfigs 4' (das dem sphärischen Zentrum O4 der Innenfläche 1a des äußeren Gelenkelements 1 entspricht) und das sphärische Zentrum der Innenfläche 4b' des Käfigs 4' (das dem sphärischen Zentrum O5 der Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 entspricht) um eine gleiche Entfernung (f) in entgegengesetzte Richtungen vom Zentrum 0 des Gelenks versetzt. Der Versatz (F) im äußeren Gelenkelement 1 ist die axiale Entfernung zwischen dem Zentrum O1 der Führungsnuten 1b und dem sphärischen Zentrum O4 der Innenfläche 1a, und der Versatz (F) im inneren Gelenkelement 2 ist die axiale Entfernung zwischen dem Zentrum O2 der Führungsnuten 2b und dem sphärischen Zentrum O5 der Außenfläche 2a, und beide sind gleich. Die Länge des Geradenabschnitts, der das Zentrum O1 der Führungsnut 1b des äußeren Gelenkelements 1 und das Zentrum der drehmomentübertragenden Kugel 3 verbindet, und die Länge des Geradenabschnitts, der das Zentrum O2 der Führungsnut 2b des inneren Gelenkelements 2 und das Zentrum O3 der drehmomentübertragenden Kugel 3 verbindet, entsprechen beide PCR; demnach sind beide gleich.
Es ist empfehlenswert, dass der Versatz (f) in der Außenfläche 4a' und Innenfläche 4b' des Käfigs 4' wie folgt eingestellt ist.
Wie oben beschrieben, ist es (4) im Hinblick auf die Gewährleistung der Festigkeit und Haltbarkeit des Käfigs zu bevorzugen, dass der Versatz (f) in der Außenfläche 4a' und Innenfläche 4b' so eingestellt ist, dass das Verhältnis R2 (= f/PCR) im Bereich von 0 < R2 ≤ 0,052 liegt. In dieser Ausführungsform ist R2 aber auf 0,036 eingestellt. Was die Anordnungen (1), (2), (3) in der obigen Ausführungsform anbetrifft, sind sie gleich (in Bezug auf (3) ist R1 jedoch auf 0,1003 eingestellt), und ihre Beschreibung wird ausgelassen. Zudem kann die Richtung des Versatzes (f) im Käfig 4' umgekehrt sein. Das heißt, der Punkt O4 in 15A kann derselbe sein wie das sphärische Zentrum der Innenfläche 4b', und der Punkt O5 kann derselbe sein wie das sphärische Zentrum der Außenfläche 4a'.
Auch im Käfig 4' dieser Ausführungsform ist wie im Fall des Käfigs 4 der oben beschriebenen Ausführungsform der Durchmesser (B) der Einführöffnung 4d' zum Einbau des inneren Gelenkelements 2 in Bezug auf den Außendurchmesser (A) des inneren Gelenkelements und der maximale Abstand (C) so eingestellt, dass C ≤ B < A (17A). In der innersten Region der Einfuhröffnung 4d' (d.h., an der Grenze zwischen der Innenfläche 4b' und der Einführöffnung 4d') ist eine Stufe 4e' definiert. Doch es ist auch möglich, eine Konfiguration zu verwenden, die keine solche Stufe 4e' aufweist. Beim Einbau des inneren Gelenkelements 2, wie in 16 gezeigt, mit den Achsen, die angeordnet sind, um sich in rechten Winkeln zu schneiden, wird das innere Gelenkelement 2 in die Innenseite 4b' des Käfigs 4' eingeführt, wobei eine Führungsnut 2b des inneren Gelenkelements 2 gegen die Einführung 4d' des Käfigs 4' anstoßt. Wenn das innere Gelenkelement 2 auf diese Weise in gewissem Umfang eingeführt ist, wie in 17A gezeigt; wird der maximale Abstand (C) über die Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 hinweg von der Stufe 4e' aufgehalten, wodurch keine weitere Einführung des inneren Gelenkelements 2 möglich ist. Dabei sind das sphärische Zentrum O' der Außenfläche 2a des inneren Gelenkelements 2 und das sphärische Zentrum O'' der Innenfläche 4b' des Käfigs 4' leicht voneinander verschoben. Danach wird das innere Gelenkelement 2 um 90 Grad gedreht, indem der in 6B gezeigte seitliche Abschnitt T der Stufe 4e' des Käfigs 4' verwendet wird, bis die Achse des inneren Gelenkelements 2 und die Achse des Käfigs 4' miteinander übereinstimmen. Damit ist das innere Gelenkelement 2 komplett in die Innenseite 4b des Käfigs 4 eingebaut. Überdies können die Teile auf die gleiche Weise wie oben zusammengebaut werden, auch wenn der Käfig 4' keine Stufe 4e' aufweist, wie in 18A und 18B gezeigt.
Ferner weist der Käfig 4' in dieser Ausführungsform 8 Taschen zur Aufnahme von 8 drehmomentübertragenden Kugeln auf, wobei diese 8 Taschen aus zwei Arten von Taschen bestehen, kurzen und langen, deren Umfangslängen auf die gleiche Weise wie in der vorigen Ausführungsform bestimmt werden. Die jeweilige Nummern von kurzen und langen Taschen, ihre Anordnung und ihre Wandform sind die gleiche wie in der vorigen Ausführungsform. Ferner wird der Einbau der drehmomentübertragenden Kugeln 3 in die Taschen auf die in 8A und 8B gezeigte Weise durchgeführt, wie in der vorigen Ausführungsform. Doch bei der Anordnung dieser Ausführungsform sind die Bewegungen der drehmomentübertragenden Kugeln 3 während des Kugeleinbaus auf der Außenflächenseite am größten, wie in 9B gezeigt, weil die sphärischen Zentren O4 und O5 des Innen- und Aussenseiten 4a' und 4b' des Käfigs 4' zu den in 16A gezeigten Positionen versetzt sind. In diesem Fall ist es empfehlenswert, dass die zwei Umfangswandflächen 4c11' der Tasche 4c' die Form von geneigten Flächen aufweisen, die sich zur Außenseite des Käfigs 4' hin erweitern, wie in 19A und 19B gezeigt. 19A zeigt eine Anordnung, in welcher die zwei Wandflächen 4c11' ebene Flächen sind, und 19B zeigt eine Anordnung, in welcher die zwei Wandflächen gekrümmte Flächen sind; die der Oberflächenkrümmung der drehmomentübertragenden Kugeln 3 entsprechen. Im Vergleich zu dem Fall, wo die zwei Umfangswandfläche 4c11' der Tasche parallele Flächen sind (siehe 10), ist diese Anordnung im Hinblick auf die Gewährleistung der Festigkeit und Haltbarkeit des Käfigs 4' darin vorteilhaft, dass die Fläche der Innenseite 4b' des Käfigs 4 (die Fläche des Stabs, der zur Innenseite gehört) erhöht wird.
In einer Ausführungsform, die in 20A und 20B gezeigt wird, ist eine vorbestimmte Region U1 und U2 der Führungsnuten 1b und 2b des äußeren und inneren Gelenkelements 1 und 2 gerade. Die andere Region der Führungsnut 1b als die Region U1 ist gekrümmt, wobei das Zentrum am Punkt O1 liegt, und die andere Region der Führungsnut 2b als die Region U2 ist gekrümmt, wobei das Zentrum am Punkt O2 liegt. Der Rest der Anordnung ist der gleiche wie bei der in 15A und 15B gezeigten Ausführungsform, und eine Beschreibung davon wird ausgelassen.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Gleichlaufgelenke, die in den obigen Ausführungsformen beschrieben wurden, auf umfassende Weise als eine Kraftübertragungskomponente in Kraftfahrzeugen und diversen Industriemaschinen und Instrumenten eingesetzt werden kann, und insbesondere sind sie nützlich zur Verwendung in der Kraftübertragsvorrichtung von Kraftfahrzeugen, zum Beispiel als ein Gelenk zur Verbindung des Antriebswelle oder Kardanwelle eines Kraftfahrzeugs.
Zur Verbindung der Antriebswelle oder Kardanwelle eines Kraftfahrzeugs wird gewöhnlich das Festgelenk und das Verschiebegelenk als Paar verwendet. Zum Beispiel muss die Kraftübertragungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ausgelegt sein, um sich an Winkel- und Axialverschiebungen anzupassen, die durch die Änderung der relativen Lagebeziehung zwischen dem Motor und den Straßenrädern verursacht werden. Daher wird, wie in 21 gezeigt, zwischen dem Motor und dem Rad eine Antriebswelle 20 angeordnet, die an einem Ende durch ein Gleichlaufverschiebegelenk 21 mit einem Differential 22 und am anderen Ende durch ein Gleichlauffestgelenk 23 mit dem Rad 24 verbunden ist.
Wenn das Gleichlaufgelenk, das in den obigen Ausführungsformen beschrieben wurde, als das Gleichlauffestgelenk 23 zur Verbindung der Antriebswelle 20 verwendet wird, erlaubt seine Verwendung die Reduktion der Größe des Gelenks, wobei sie eine Festigkeit, Belastbarkeit und Haltbarkeit gewährleistet, die mindestens so hoch ist wie in der Vergleichsvorrichtung (6-Kugel-Gleichlauffestgelenk), weshalb seine Verwendung im Hinblick auf die Verringerung des Fahrzeuggewichts und daher auf die Kraftstoffeinsparung sehr vorteilhaft ist.
Darüber hinaus weist in Gleichlaufgelenken dieses Typs die Lagebeziehung zwischen den Zentren der Führungsnuten des äußeren und inneren Gelenkelements, des sphärischen Zentrums der Innenfläche des äußeren Gelenkelements (des sphärischen Zentrums der Außenfläche des Käfigs) und des sphärischen Zentrums der Außenfläche des inneren Gelenkelements (des sphärischen Zentrums der Innenfläche des Käfigs) 8 Variationen (a)-(h) auf, und die vorliegende Erfindung kann auf jede dieser Variationen angewandt werden. Diesbezüglich ist anzumerken, dass die in 1A und 1B gezeigte Anordnung 22(b) entspricht, und dass die in 15A, 15B und 20, 20B gezeigten Anordnungen beide 22(a) entsprechen. Ferner sind die Bewegungen der drehmomentübertragenden Kugeln auf der Aussenflächenseite des Käfigs in den Anordnungen am größten, die in 22(a), (d), (e), (f) und (g) gezeigt werden.

Claims

Gleichlaufgelenkaufbau, umfassend: ein Befestigungselement, das mit einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist; ein Flanschelement, umfassend einen Flanschabschnitt, der mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden ist, und einen Bohrungsabschnitt; ein Gleichlaufgelenk festen Typs, umfassend ein äußeres Gelenkelement (1), ein inneres Gelenkelement (2), eine Vielzahl von Kugellaufbahnen, eine Vielzahl von drehmomentübertragenden Kugeln (3) und einen Käfig (4), wobei das äußere Gelenkelement (1) einen Öffnungsabschnitt und einen Stammabschnitt aufweist, der Öffnungsabschnitt eine Vielzahl von axial verlaufenden gebogenen Führungsnuten (1) aufweist, die in einer sphärischen Innenfläche (1a) davon geformt sind, der Stammabschnitt mit dem Bohrungsabschnitt des Flanschelements verbunden ist, das innere Gelenkelement (2) eine Vielzahl von axial verlaufenden gebogenen Führungsnuten (2b) aufweist, die in einer sphärischen Außenfläche (2a) davon geformt sind, die Kugellaufbahnen zwischen den Führungsnuten (1b) des äußeren Gelenkelements (1) und den diesen entsprechenden Führungsnuten (2b) des inneren Gelenkelements (2) definiert sind, jede der Kugellaufbahnen in Keilform in der gleichen Axialrichtung zu einer offenen Seite des Gelenks hin erweitert ist, die drehmomentübertragenden Kugeln (3) jede in jeder der Kugellaufbahnen angeordnet sind, der Käfig (4) eine Vielzahl von Taschen (4c) aufweist, um die drehmomentübertragenden Kugeln (3) aufzunehmen, und die durch die sphärische Innenfläche (1a) des äußeren Gelenkelements (1) und die sphärische Außenfläche (2a) des inneren Gelenkelements (2) geführt werden; und ein Lager mit zweireihigen Wälzelementen, das die Drehung des Flanschelements in Bezug auf das Befestigungselements auf drehbare Weise trägt, wobei das Lager axial zwischen dem Flanschabschnitt des Flanschelements und dem Öffnungsabschnitt des äußeren Gelenkelements angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Kugellaufbahnen, die Zahl der drehmomentübertragenden Kugeln (3) und die Zahl der Taschen (4c) des Käfigs (4) jeweils acht ist, das Verhältnis r1 (= PCD_BALL/D_BALL) des Lochkreisdurchmessers (PCD_BALL) der drehmomentübertragenden Kugeln (3) zum Durchmesser (D_BALL) der drehmomentübertragenden Kugeln im Bereich von 3,3 ≤ r1 ≤ 5,0 liegt, und das Verhältnis r2 (= D_OUTER/PCD_SERR) des Außendurchmessers (D_OUTER) des äußeren Gelenkelements (1) zum Lochkreisdurchmesser (PCD_SERR) eines Zahnprofils (2c), das in einer Innenfläche des inneren Gelenkelements (2) geformt ist, im Bereich von 2,5 ≤ r2≤ 3,5 liegt, und die jeweiligen Zentren der Führungsnuten (1b, 2b) der äußeren und inneren Gelenkelemente (1, 2) in Bezug auf die jeweiligen sphärischen Zentren der Innen- und Außenflächen (1a, 2a) um eine gleiche Entfernung (F) in entgegengesetzte Richtungen axial versetzt sind, und das Verhältnis R1 (= F/PCR) dieses Versatzes (F) zur Länge (PCR) eines Geradenabschnitts, der das Zentrum der Führungsnuten (1b, 2b) des äußeren oder inneren Gelenkelements (1, 2) und die Zentren der drehmomentübertragenden Kugeln (3) verbindet, im Bereich von 0,069 ≤ R1≤ 0,121 liegt.