DE7215448U

DE7215448U - Homokmetische Wellenkupplung

Info

Publication number: DE7215448U
Application number: DE7215448U
Authority: DE
Original assignee: SKF Industrial Trading and Development Co BV
Current assignee: SKF Industrial Trading and Development Co BV
Priority date: 1971-04-23
Publication date: 1973-10-31

Description

SKP Industrial Trading and Development Company B. V., Amsterdam

Homokinetische Wellenkupplung

Die Neueruns bezieht sich auf eine homokinetische Wellenkupplung zur gelenkigen Verbindung zweier Wellen, bestehend aus einem Innenring und einem Außenring, die an je einer Welle befesrtigt sind und zwischen denen sich als Rollen ausgebildete Wälzkörper auf Laufbahnen abwälzen, die in Längsrichtung an einem der Ringe angeordnet sind.

Derartige homokinetische Wellenkupplungen werden insbesondere bei Automobilen mit Frontantrieb verwendet, um die Halbwellen der Vorderräder mit der aus dem Getriebe kommenden Antriebswelle gelenkig zu verbinden.

Eine homokinetische Wellenkupplung der eingangs beschriebenen Bauart ist durch die US-PS 2 867 998 bekanntgeworden. Bei dieser verlaufen die Achsen der als Rollen ausgebildeten Wälzkörper im wesentlichen parallel zur Achse des Wellengwrlenk.^. Der Außenring ist zweiteilig ausgeführt, und die beiden Teile sind durch Schrauben miteinander verbunden. Der Außenring ist mit einem Abschlußring versehen, in dessen zylindrische Ausdrehung fingerförmige Vorsprünge der anderen Außenringhälfte ragen. Die fingerförmigen VorsprUnge sollen die Rollen aaf Abstand halten. Ein selbständiger, frei beweglicher Käfig; ist nicht vorgesehen. Bei Winkelbewegungen zwischen den beiden miteinander verbundenen Wellen sind die Rollen fest an ihren Platz in der FIndrehung des Außenringes gebunden, so daß sie auf der zylindrischen Bohrungsfläche des Absohlußringes keinerlei Abrollbewegungen ausführen können. Eine

SEE¹ 3553/11*7.1973

Blatt - 2 -

721544831.10.73

solche ist auch auf den in Längsriohtung verlaufenden Laufbahnen des Innen- | ringes nicht möglich; auch hier können die Rollen nur Gleitbewegungen aus- I führen, weil einerseits ihre Position im Außenring axial fixiert ist und ^: andererseits ihre Achsen in Längsrichtung, das heißt in Richtung der Laufbahnen, verlaufen. Die Folge ist, daß bei Winkelverstellungen der beiden | Wellen zueinander nicht unerhebliche Kräfte aufgewendet werden müssen, um i die Gleitreibung zwischen den Rollen und den Innenring-Laufbahnen zu über- I winden, und daß dabei Störungen und rascher Verschleiß des Gelenkes verur- | sacht werden. |

Gegenstand der US-PS 2 046 584 ist eine Wellenkupplung, bei der die Wälz- | körper als Kugeln ausgebildet sind und sich in Rillen abwälzen, die in die j sphärische Oberfläche sowohl des Innenringes als auch des Außenringes ein- ] gearbeitet sind.. In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei der Innen- | ring, der Außenring und der Xäfig konzentrisch zueinander angeordnet. Dabei fallen Jedoch die Mitteltpunkte für die Kreisbögen der Rillen in Längsrichtung nicht mit dem Mittelpunkt des Innenringes, des Außenringes und des Käfigs zusammen, sondern sind zu letzterem versetzt. Die Mittelpunkte für die Kreisbögen der Rillen im Innenring und im Außenring haben auf der Achse des Gelenkes gleichen Abstand vom Mittelpunkt des Innenringes, des Außenringes und des Käfigs, und sie liegen außerdem zu beiden Seiten des zuletzt genannten Mittelpunktes. Mit einer derartigen Konstruktion wird erreicht, daß immer dann, wenn die Achsen der beiden miteinander gelenkig verbundenen Wellen einen Winkel miteinander bilden, die Ebene des Käfigs, in der die Mittelpunkte der Kugeln liegen, diesen Winkel halbiert. Das ist die notwendige Bedingung für Homokinetik, das heißt den Gleichlauf der Winkelgeschwindigkeit.

Obwohl die homokinetische Wellenkupplung gemäß US-PS 2 046 584 bisher mit großem Erfolg eingesetzt worden ist, ist sie doch nicht frei von Nachteilen. Ein Hauptnachteil besteht darin, daß die Herstellung wegen der zahlreichen Bearbeitungsvorgänge mit Werkzeugmaschinen aufwendig und teuer ist. Insbesondere die Einarbeitung der Rillen in den Innenring und den Außenring ist sehr

Blatt - 5 -

721544831.10.73

aufwendig. Ein weiterer Nachteil der bekannten Wellenkupplung ist darin zu sehen, daß das übertragbare Moment wegen der kleinen Berührungsfläche zwischen den Kugeln und den Rillen relativ klein ist. Dieser Nachteil kann zwar durch größere Kugeln beseitigt werden, wodurch jedoch der Raumbedarf für die Wellenkupplung grö'ßer wird.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunae, eine homokinetisohe WeMenkupplung zur gelenkigen Verbindung zweier Wellen zu sohaffen, die einfaohor und billiger als die bekannten Wellenkupplungen herzustellen ist, ohne daß sich das nachteilig auf das übertragbare Drehmoment auswirkt. Es soll im Gegenteil ein im allgemeinen größeres Drehmoment als bei den bekannten Wellenkupplungen übertragen werden können, ohne daß dabei die Dimensionen der Wellenkupplung vergrößert werden müssen. Neuerungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer homokinetisohe η Wellenkupplung der eingangs beschriefcenen Art dadurch gelöst, daß die Achsen der in einem KSfig geführten Wälzkörper in einer gemeinsamen Ebene liegen, die rechtwinklig zu den Achsen der beiden Wellen verläuft, wenn diese miteinander fluchten, und daß die mit den Wälzkörpern in Berührung stehende Oberfläche des anderen Ringes sphärisoh und glatt ist.

In Weiterbildung der Neuerung ist die mit den Wälzkörpern in Berührung stehende, sphärische Innenfläche des Außenringes glatt, wobei die Wälzkörper als Tonnenrollen ausgebildet sind.

Die durch die Neuerung geschaffene homokinetisohe Wellenkupplung ist wegen der glatten Oberfläche eines der Ringe mit wesentlich geringerem Aufwand an Zeit und Kosten herzustellen als die bekannten homokinetisohen Wellenkupplungen* Durch die dank der Tonnenrollen wesentlich vergrößerte Berührungsfläcr^v> zwischen diesen und der mit diesen in Berührung stehenden Oberfläche der Ringe kann auch ein wesentlich größeres Drehmoment übertragen werden, ohne daß sich das nachteilig auf den Raumbedarf der homokinetischen Wellenkupplung auswirkt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Neuerung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Diese zeigen in:

Blatt - 4 -

721544831.10.73

• ·»

• · t

Mi Il

Figur 1 einen Länassohnitt durch eine homokinetisohe Well^rikupplung gemäß der Neuerung,

Figur 2 «inen Querschnitt gemäß der Linie ΪΙ-ΙΙ der Figur 1,

Figur 3 einen Längssohnitt durch die homokinetische Wellenkupplung der Figur 1, wobei die beiden Wellen winklig zueinander stehen,

51""" Jl- "·*» PmVl na 1 ranaA nwfai T T liner rM α HnmnlH r>e+.1 anVlß Til«! !«nliimnluncc

gemäß den Figuren 1 bis J,

Figur 5 eine Frontansicht des Innenringes der Wellenkupplung der Figuren 1 bis 4,

Figur 6 in vergrößerter Darstellung einen mit dem Innenring und dem Außenring in Berührung stehenden Wälzkörper der Wellenkupplung gemäß Figuren 1 bis 5 und

Figur 7 im Längssohnitt eine Variante einer horaokinetisohen Wellenkupplung gemäß der Neuerung.

Die in dfcil Figuren 1 bis 6 dargestellte homokinetische Wellenkupplung enthält einen napffönnigen Außenring 10, dessen geschlossener Boden mit einer Welle verbunden ist, sowie einen Innenring 14, in dessen mit Längsnuten versehener Bohrung 2h eine Vielkeilwelle l6 befestigt ist. Zwischen dem Außenring und dem Innenring 14 ist ein Käfig 18 angeordnet, in dessen Fenstern 22 Tonnenrollen 20 geführt sind. Die innere Oberfläche 26 des Bodens des Außenringes ist sphärisch und glatt ausgebildet, wobei der Mittelpunkt dieser kugelförmigen Oberfläche 26 bei 0 liegt. Zur offenen Seite hin ist der Außenring 10 innen ebenfalls mit einer glatten und sphärischen Oberfläche 28 vom Halbmesser R¹' mit dem Mittelpunkt 0^r versehen, wobei der Mittelpunkt O¹ auf der Achse des Außenringes 10 liegt und gegenüber dem Mittelpunkt 0 in Richtung zur geschlossenen Seite des Außenringes J.0 versetzt ist. Die sphärischen Oberflächen 26 und 28 sind durch eine konkave Fläche 50 miteinander verbunden.

Blatt - 5 -

721544831.10.73

■ · · . . jij

Die Mantelfläche 32 des Innenringes 14 1st ebenfalls sphärisch ausgebildet, wobei der Mittelpunkt in 0 liegt, so daß diese konzentrisch !aiii¹ inneren Oberfläche 2b des Bodens des Außenringes 10 ist. Der Innenring 14 ist mit sechs in Längsrichtung verlaufenden und in Meridianebenen liegenden Rillen >^!J- versehen. Der Verlauf dieser Rillen 34 im Querschnitt ist in vergrößertem Maßstab in Figur 6 dargestellt, in der die Krümmungen der verschiedenen Kurven zwischen den Einzelteilen, zum besseren Verständnis übertrieben gezeichnet sind.

J9de Rille 34 besteht aus zwei Kreisbögen 34a und 34b mit gleichem Radius, die sich in der Mitte der Rille 34 im Schnittpunkt Z schneiden. Der Schnittpunkt Z weist zu der Oberfläche der in der Rille 34 befindlichen Tonnenrolle 20 einen Abstand auf; dabei liegt der Schnittpunkt Z selbstverständlich in der Meridianebene, in der auch die Mitte der Rille 34 liegt.

Der Mittelpunkt der Erzeugenden für die Oberfläche der Tonnenrolle 20 ist mit Y bezeichnet. Dieser Mittelpunkt Y liegt in der Meridianebene, in der auch der Sohnittpunkt Z liegt. Der Radius der Erzeugenden für die Oberfläche der Tonnenrolle 20 ist R, während der Radius der Kreisbögen 34a und 34b für die beiden Hälften der Rille 34 R¹ ist. Der Mittelpunkt des Kreisbogens 34a mit dem Radius R' befindet sich im Punkt X, welcher a.\xZ der Seite der bereits mehrfach genannten Meridianebene !Liegt, die vom Kreisbogen 34a abgekehrt ist. Entsprechend liegt der Mittelpunkt W des Kreisbogens 34b mit deir Radius R¹ in bezug auf den Mittelpunkt X auf der gegenüberliegenden Seite dieser Meridianebene. Die Geraden X Y und W Y bilden zusammen mit der Verlängerung der Geraden Z Y und somit mit der wiederholt erwähnten Meridianebene jeweils einen spitzen Winkel Θ. Der Winkel θ ist kleiner als der Reibungswinkel zwischen den Tonnenrollen 20 und dem Innenring 34, wobei dev Winkel θ im allgemeinen gleich oder kleiner als 6° ist. Das Verhältnis R/R¹ und somit die Schmiegung zwischen der Tonnenrolle 20 und der Rille 34 im Innenring l4 hat vorzugsweise Werte zwischen 0,95 und 0,98.

Blatt - 6 -

721544831.10.73

Der Mittelpunkt des Krümmungskreises für die sphärische Oberfläche 28 des Außenringes IO befindet sich in V; der Radius R¹' dieses Krümmungskreises Ist vorzugsweise genauso groß wie der Radius R', so daß auch der Wert für die Schmiegung zwischen den Tonnenrollen 20 und der sphärischen Innenfläche des Außenringes 10 (R/R¹') zwischen 0,95 und 0,98 liegt.

Die Rillen 34 haben im Längsschnitt einen !Krümmungskreis mit dem Mittelpunkt O¹ ' (Figuren 1 und 3), der auf der Mittelachse des Innenringes 14 liegt und zum Mittelpunkt 0 denselben Abstand hat wie der Mittelpunkt 0', wobei 0" ,jedoch auf der anderen Seite von 0 liegt. Der Innenring 14 hat eine in der iNähe des Endes der Vielkeilweile Io liegende, glatte Stirnfläche 36.

Wie bereits erwähnt, liegt der Wert für den Radius R des Erzeugungskreises für die Tonnenrollen 20 vorzugsweise in der Nähe des Wertes für den Radius R¹ der Kreisbögen 54a und j54b und außerdem auch in der Nähe des Wertes für den Radius R¹' der sphärischen Innenfläche 28 des Außenringes 10. Auf diese Weise haben die Tonnenrollen 20 verhältnismäßig große Berührungsflächen mit der sphärischen Innenfläche 28 des Außenringes 10 und den Oberflächen der Rillen 34 des Innenringes 14. Diese Berührungsfläche ist in der Praxis weitaus größer als diejenige, die mit einer Kugel vom Durchmesser D (Figur 6) erzielt werden kann, wobei D der größte Durchmesser der Tonnenrollen 20 ist und der zwischen die in üblicher Weise in den Innenring und den Außenring eingearbeitete Rillen mit kreisförmigem Querschnitt bekannter homokinetischer Wellenkupplungen paßt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung ist also auch das übertragbare Drehmoment weitaus größer als dasjenige, das mit bekannten homokinetischen Wellenkupplungen gleicher Größe übertragen vferden kann.

Die Innenfläche 38 und die Außenfläche 40 des Käfigs l8 sind kugelförmig, wobei der gemeinsame Mittelpunkt im Punkt 0 liegt. Damit sind die Innenfläche 58 und die Außenfläche 40 konzentrisch sowohl zur sphärischen Mantelfläche 32 des Innenringes als auch zur inneren Oberfläche 26 des Bodens des Außenringes 10. Der Käfig l8 ist nicht ringförmig, sondern topffSrmig ge-

Blatt - 7 -

721544831.10.73

• a * · ι

staltet, wobei der Käfig «erade so groß ist, daß seine Außenfläche 40 - mit Ausnahme eines geringen, für die Funktionsfähigkeit erforderlichen Spieles mit der inneren Oberfläche; 26 des Bodens des Außenringes 10 zusammenfällt. Die Innenfläche 38 des Käfigs l8 fällt in entsprechender Weise mit der sphärischen Mantelfläche 32 des Innenringes 14 zusammen. Die Achsen der im Käfig 18 angeordneten Tonnenrollen 20 liegen in einer gemeinsamen Ebene, die den Winkel halbiert, den die Achsen der beiden Wellen 12 und l6 miteinander bilden. In Figur 1 verläuft diese Ebene senkrecht zu den Achsen der beiden Wellen.

Im Prinzip funktioniert die beschriebene und dargestellte homokinetische Wellenkupplung wie die bekannte. Wenn, wie in Figur 3 dargestellt, die Achsen der beiden Wellen 12 und l6 einen Winkel φ einschliußen, rotiert der Käfig lö unter einem Winkel φ¹, der im wesentlichen halb so groß ist wie der Winkel φ. Dabei drehen sich die Tonnenrollen 20 zwischen den Rillen 34 und der Oberfläche 28 um ihre Achsen, wobei große BexHihrungs flächen mit diesen Oberflächen bestehen.

Bei der Übertragung des Drehmomentes von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle wirken die Tonnenrollen 20 ähnlich wie Klemmkörper in einem Freilauf. Das Drehmoment der Antriebswelle versucht, Jede Tonnenrolle 20 um die Achse zu drehen, die rechtwinklig zur Rotationsachse der Tonnenrolle 20 liegt, so daß die Tonnenrollen 20 bestrebt sind, sich JLn Ihren Laufbahnen schief zu stellen. Diese Schiefstellung erzeugt ein Verklemmen in der entsprechenden Lage, so daß die Rotation des Innenringes Ik relativ zum AußenjriLng 10 verhindert wird.

Wie aus den Figuren 1 una 3 hervorgeht, vergrößert sich der Raun zwisohen der Innenfläche 28 des Außenringes 10 und dem Iionenring 14 in Richtung auf den geschlossenen Teil des Außenringes 10; axiße:rdem ist zwlsohon der Außenfläche 40 des Käfigs l8 und der Innenfläche i»8 des Außenringes 10 ein Abstand. Damit wird erreicht, daß axiale Zugkräfte, die bestrebt sind, die Welle 12 und die Welle l6 zu trennen, den Käfig l8 nicht zwischen Innenring 14 und Außenring 10 einklemmen oder quetschen, wie das bei zum Stand der Technik

Blatt - 8 -

721544831.10,73

zählenden Konstruktionen der Fall ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung werden vielmehr diese Kräfte auf die Tonnenrollen 20 übertragen, wodurch sie die Tendenz haben, sich zwischen dem Innenring 14 und dem Außenring 10 zu verschieben oder zu verklemmen und dabei diese Kräfte auf die ,Seitenflächen in den Penstern 22 des Käfigs Ib su übertragen. Bei axialer Zugbelastung verläuft der Kraftfluß also vom Außenring 10 über die Tonnenrollen 20 und den Käfig l8 zum Innenring 14; die Gefahr des Einklemmens oder Quetschens des Käfigs Ib ist somit nicht vorhanden.

Axiale Druckkräfte hingegen., die versuchen, die beiden Wellen 12 und 16 ineinander zu schieben, werden von der Reaktionskraft des Käfigs 18 gegen die innere Oberfläche 26 am Boden des Außenringes 10 aufgenommen.

Die in Figur 7 dargestellte homokinetische Wellenkupplung zur gelenkigen Verbindung der beiden Wellen 12 und 16 ist las PrIr *Λη ähnlich aufgebaut wie die in den Figuren 1 bis 6 gezeigte. Ein Unterschied besteht in der Form des Käfics 42, der nicht topfförmig, sondern ringförmig ausgebildet ist. Weiter unterscheidet sich die Wellenkupplung gemäß Figur 7 dadurch, daß die innere Oberfläche 44 des Außenringes 10 eben ausgebildet ist, wobei die nunmehr konvex gewölbte Stirnfläche 46 der Welle 16, die durch den Innenring 14 gesteckt ist und aus diesem herausragt, mit der ebenen Oberfläche 44 zusammenwirkt. Der Mittelpunkt der konvex gewölbten Stirnfläche 46 liegt in 0. Die Berührung zwischen der konvex gewölbten Stirnfläche 46 der Welle l6 und der ebenen Oberfläche 44 des Außenringes 10 stellt sicher, daß der Innenring 14 und der Außenring 10 trotz der Winkelstellung der beiden Wellen gegeneinander immer konzentrisch zueinander bleiben.

Axiale Druckkräfte, die versuchen, die beiden Wellen 12 und 16 ineinander zu schieben, werden, ähnlich wie btsl der Ausführung gemäß Figuren 1 bis 6, an der ebenen Oberfläche 44 des Außenringes 10 aufgenommen, die mit der konvex gewölbten Stirnfläche 46 der Welle 16 zusammenwirkt.

Blatt - 9 -

721544831.10.73

Die durch die Erfindung geschaffene homokinetische Wellenkupplung hat insbesondere den Vorzug, daß sie einfacher und billiger herzustellen ist als bisher bekannte homokinetische Gelenke, wobei das übertragbare Drehmoment wegen der größeren Berührungsflächen zwischen den Wälzkörpern und den Lauf baiinen im Innenring und im Außenring bei gleicher Baugröße wesentlich größer ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann im Rahmen des Erfindungsgedankens zahlreiche Abänderungen erfahren. So ist es beispielsweise möglich, die Tonnenrollen 20 durch Kugeln zu ersetzen. Diese Abänderung hat allerdings den Nachteil, daß die Berührungsfläche zwischen den Kugeln und den Lauf bahnen verkleinert wird, so daS auch azs übertragbare Drehmoment nicht so groß sein kann wie bei Tonnenrollen. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Innenring mit einer sphärischen und glatten Oberfläche zu versehen und die Laufflächen für die Wälzkörper an der Innenfläche des Außenringes vorzusehen. In diesem Fall müssen die Wälzkörper spulenförmig, das heißt als Rolfen mit konkav gewölbter Oberfläche ausgebildet sein, während die Laufbahnen an der Innenfläche des Außenringes als Erhebungen gestaltet sind.

721544831.10.73

Claims

Schutzansprüche

1. Homokinetische Viellenkupplung zur gelenkigen Verbindung zweier Wellen, bestehend aus einem Innenring una einem Außenring, die an je einer Welle befestigt sind und zwischen denen sich als Rollen ausgebildete Wälzkörper auf Laufbahnen abwälzen, die in Längsrichtung an einem der Ringe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der in einem Käfig (18) geführten Wälzkörper (20) in einer gemeinsamen Ebene liegen, die rechtwinklig zu den Achsen der beiden Wellen verläuft, wenn diese miteinander fluchten, und daß die mit den Wälzkörpern (2o) in Berührung stehende Oberfläche des anderen Ringes (10 bzw. 14) sphärisch und glatt ist.

2. Homokinetische Wellenkupplung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Wälzkörpern (20) in Berührung stehende, sphärische Innenfläche (28) des Außenringes (10) glatt ist und die Wälzkörper (20) als Tonnenrollen ausgebildet sind.

3· Homokinetische Wellenkupplung nach Anspruch l_t dadurch gekennzeichnet, daß die mit &irt. Wälzkörpern (20) in Berührung stehende, sphärische Oberfläche (52) des Innenringes (14) glatt ist und die Wälzkörper (20) spulenförmig, das heißt als Rollen mit konkav gewölbter Oberfläche ausgebildet sind.

4. Homokiaetische Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da& der Wert für die Schmiegung zwischen den Wälzkörpern (20) und der sphärischen Oberfläche (32) des Innenringes (14) und/oder des Außenringes (10) zwischen 0,95 und 0,9b¹ liegt.

5. Hoiüokinstische Wellenkupplung, nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien (R¹) der Kreisbögen (34a, 34b), aus denen die Rillen (34) in der Oberfläche (32) des Innenrings (l4) im Querschnitt zusammengesetzt sind, ira wesentlichen mit dem Radius (R'') für die Laufbahn des Außenringes (10) übereinstimmen.

721544831.10.73