Radnaben-Drehgelenk-Anordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung umfassend eine Radnabe mit einem Radflansch und ein mittels einer zentralen Schrauben-Mutter- Verbindung mit der Radnabe verbundenes Drehgelenk zum Anschließen einer Antriebswelle.
Derartige Radnaben-Drehgelenk-Anordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt die DE 42 10 461 C2 eine Anordnung, bei der die Radnabe und das Drehgelenk mittels einer zentralen Schrauben-Mutter-Verbindung miteinander verbunden sind. Der Zapfen ist in Form eines sogenannten Langzapfens mit über seine Länge in etwa gleichbleibendem Querschnitt gestaltet und durchdringt die Bohrung der Radnabe vollständig. Der Zapfen hat einen mittleren Abschnitt mit einer Außenverzahnung, die zur Drehmomentübertragung in eine entsprechende Innenverzahnung der Bohrung der Radnabe eingreift. Am radseitigen Ende ist eine Mutter auf den Zapfen aufgeschraubt, welche gegen eine die Bohrung umgebende Schulter axial abgestützt ist. Eine derartige Anordnung mit Langzapfen und Mutter hat eine relativ hohe Elastizität, so daß es zu Setzungserscheinungen und nachlassender Verspannung an der Radlagerung kommen kann.
Aus der DE 34 30 067 C2 ist eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung zum Anschließen an eine Gelenkwelle bekannt, bei der der Zapfen des Drehgelenks als Kurzzapfen gestaltet ist und sich lediglich über einen Teil der Bohrungslänge der Radnabe erstreckt. Die Bohrung, welche über ihre Länge einen in etwa gleichen Durchmesser hat, weist an ihrem gelenkseitigen Ende eine Innenverzahnung auf, in die der Zapfen mit einer entsprechenden Außenverzahnung zur Drehmomentübertragung eingreift.
Radial außen bildet die Radnabe den Lagerinnenring eines Radlagers, welches mit einem zugehörigen Lageraußenring an einem Radträger angebracht ist. Dabei ist die Dimensionierung des Radlagers von dem Zapfendurchmesser des Drehgelenks bzw. dem Bohrungsdurchmesser der Radnabe abhängig. Zur axialen Befestigung der Radnabe mit dem Zapfen ist ein Bolzen vorgesehen, welcher zentral in den Zapfen eingeschraubt ist und axial gegen eine Ringscheibe, die in der oder am radseitigen Ende der Bohrung einsitzt, abgestützt ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung vorzuschlagen, welche eine Verringerung des Durchmessers des Radlagers gegenüber bekannten Lösungen bei gleichzeitig guter Verspannung von Radnabe und Drehgelenk bzw. eine Steigerung der Festigkeit bei gleichbleibenden Abmaßen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung gelöst, welche eine Radnabe mit einem Radflansch und ein mittels einer zentralen Schrauben-Mutter-Verbindung mit der Radnabe verbundenes Drehgelenk zum Anschließen einer Antriebswelle umfaßt, wobei
die Radnabe einen zentralen Durchtritt mit einer flanschseitigen Öffnung mit einem ersten Durchmesser Di und einer gelenkseitigen Öffnung mit einem zweiten Durchmesser D2 aufweist, der größer ist als der erste Durchmesser D1 t die flanschseitige Öffnung von einer Schraube oder einem Gewindestift der Schrauben-Mutter-Verbindung durchsetzt ist und in der gelenkseitigen Öffnung eine Innenverzahnung vorgesehen ist, in die ein Zapfen des Drehgelenks mit einer entsprechenden Außenverzahnung eingreift.
Diese Lösung bietet durch Verwendung eines Kurzzapfens in Verbindung mit einem Durchtritt mit veränderlichem Querschnitt den Vorteil, daß der tragende Radnabenquerschnitt flanschseitig vergrößert ist, so daß die Spannungen in der Radnabe insgesamt reduziert sind. Die Radnaben-Drehgelenk-Anordnung kann daher radial kleiner ausgelegt werden, ohne gegenüber herkömmlichen Lösungen an Festigkeit einzubüßen. Die Reduktion des Durchmessers der Radnaben-Drehgelenk-Anordnung
bewirkt eine Gewichtsreduzierung und damit auch Kosteneinsparungen. Außerdem ergibt sich durch die flanschseitige Öffnung mit kleinerem Durchmesser eine Schulter, gegen die sich der Kopf einer Schraube oder eine Mutter ohne Verwendung einer Abstützscheibe abstützen kann.
In Konkretisierung ist vorgesehen, daß die Länge des Zapfens kürzer ist als die Länge des Durchtritts. Der Durchtritt weist vorzugsweise einen die flanschseitige Öffnung umfassenden flanschseitigen Abschnitt mit über die Länge gleichbleibendem Durchmesser Di, einen die gelenkseitige Öffnung umfassenden gelenkseitigen Abschnitt mit über die Länge gleichbleibendem Durchmesser D2 sowie einem Verbindungsabschnitt mit über die Länge veränderlichem Durchmesser zwischen dem flanschseitigen Abschnitt und dem gelenkseitigen Abschnitt auf. Vorzugsweise ist der gelenkseitige Abschnitt nur geringfügig länger als die Eintauchtiefe des Zapfens in montiertem Zustand, d.h. der Verbindungsabschnitt ist axial im Bereich eines flanschseitigen Lagerinnenrings eines zweireihigen Radlagers angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich gerade im Bereich hoher Spannungen eine hohe Festigkeit der Radnabe. Der Verbindungsabschnitt kann gestuft oder konisch gestaltet sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Schrauben-Mutter- Verbindung eine zentrale Gewindebohrung im Zapfen und eine hierin eingedrehte Schraube umfaßt, die den Durchtritt der Radnabe durchsetzt und deren Kopf an der flanschseitigen Öffnung der Radnabe gegen eine Schulter abgestützt ist. Dabei entspricht der Durchmesser der flanschseitigen Öffnung vorzugsweise in etwa dem Durchmesser der Schraube. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Stabilität der Radnabe erreicht. Vorzugsweise ist die Schraube in ein Gelenkaußenteil des Drehgelenks oder einen hiermit verbundenen Zapfen eingedreht. Für bestimmte Anwendungsfälle kann die Schraube jedoch auch mit dem Gelenkinnenteil verbunden sein. Dann wäre das Gelenkaußenteil an die Antriebswelle angeschlossen.
Nach einer hierzu alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Schrauben- Mutter-Verbindung einen am Zapfen angebrachten und den Durchtritt der Radnabe durchdringenden zentralen Gewindestift sowie eine hierauf aufschraubbare Mutter umfaßt, die gegen eine Schulter der Radnabe abgestützt ist. Dabei entspricht der
Durchmesser der flanschseitigen Öffnung vorzugsweise in etwa dem Durchmesser des Gewindestifts, welcher einen kleineren Durchmesser hat als der Zapfen. Auf diese Weise hat der gesamte Verband eine hohe Elastizität, so daß stets eine gute Verspannung der Radnabe mit dem Drehgelenk und somit auch des Radlagers gewährleistet ist.
In Konkretisierung ist vorgesehen, daß der Zapfen mit dem Gewindestift und einem Gelenkaußenteil des Drehgelenks einstückig hergestellt ist. Für bestimmte Anwendungsfälle kann der Gewindestift auch dem Gelenkinnenteil zugeordnet sein. Das Drehgelenk umfaßt neben dem Gelenkaußenteil mit äußeren Kugelbahnen ferner ein Gelenkinnenteil mit inneren Kugelbahnen, je Paar von einander gegenüberliegenden Kugelbahnen jeweils eine drehmomentübertragende Kugel sowie einen die Kugeln in der Winkelhalbierenden Ebene haltenden Kugelkäfig. Das Gelenkinnenteil ist mittels einer Verzahnung mit einer Antriebswelle drehfest verbindbar. Vorzugsweise entspricht der Durchmesser der Verzahnung zwischen Radnabe und Zapfen etwa dem Durchmesser der Verzahnung zwischen dem Gelenkinnenteil und der Antriebswelle. Ferner ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung die tragende Länge der Verzahnung zwischen Radnabe und Zapfen kleiner als die tragende Länge der Verzahnung zwischen dem Gelenkinnenteil und der hiermit verbindbaren Antriebswelle.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein zweireihiges Radlager mit zumindest einem separaten auf der Radnabe aufgezogenen Lagerinnenring vorgesehen, der mit einer Stirnfläche axial über das Ende der Radnabe hinaussteht, wobei das Radlager durch eine auf die Stirnfläche des Lagerinnenrings einwirkende Anlagefläche des Gelenkaußenteils axial vorgespannt ist. Durch diese Ausgestaltung ist gewährleistet, daß das Gelenkaußenteil mit seiner Anlagefläche gegen den Lagerinnenring abgestützt und somit fest mit der Radnabe verspannt ist. Über die Kontaktfläche zwischen Lagerinnenring und Gelenkaußenteil können Biegemomente eingeleitet und abgestützt werden. Auf diese Weise kann die Außenverzahnung des Zapfens bei vergleichbarem Durchmesser kürzer sein als die Verzahnung zwischen Gelenkinnenteil und Antriebswelle. Hierdurch kann der Durchtritt der Radnabe in Richtung zur flanschseitigen Öffnung verjüngt gestaltet sein, so daß der Querschnitt der Radnabe in diesem Bereich vergrößert ist.
In Konkretisierung ist das Gelenkaußenteil mit Zapfen aus einem oberflächenhärtbaren Vergütungsstahl hergestellt. Die Innenverzahnung der Radnabe und/oder die Außenverzahnung des Zapfens sind in bevorzugter Ausgestaltung spanlos durch Ziehen oder Hämmern hergestellt. Aufgrund der Ausgestaltung des Zapfens als Kurzzapfen sind die Innenverzahnung der Radnabe und die Außenverzahnung des Zapfens entsprechend kürzer als bei herkömmlichen Lösungen, so daß die Verzahnungen mit größerer Genauigkeit hergestellt werden können. Auf diese Weise können die Toleranzen gering gehalten werden. Der Zapfen bzw. der Zapfen mit Gewindestift sind vorzugsweise induktionsgehärtet. Als Vergütungsstahl kommt beispielsweise 45B2M zur Anwendung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt
Figur 1 eine erfindungsgemäße Radnaben-Drehgelenk-Anordnung im Teillängsschnitt in einer ersten Ausführungsform und
Figur 2 eine erfindungsgemäße Radnaben-Drehgelenk-Anordnung im Teillängsschnitt in einer zweiten Ausführungsform.
In Figur 1 ist eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung ersichtlich, welche eine Radnabe 1 mit einem einstückig angeformten Radflansch 2 sowie ein mit der Radnabe 1 verspanntes Drehgelenk 3 umfaßt. Das Drehgelenk 3 ist mit einer Antriebswelle 4 drehfest verbunden und dient zum Übertragen eines Drehmoments von der Antriebswelle 4 auf die Radnabe 1 unter Winkelbewegungen. Es umfaßt ein Gelenkaußenteil 5 mit äußeren Kugelbahnen 6, ein Gelenkinnenteil 7 mit inneren Kugelbahnen 8, jeweils in einem Paar von einander gegenüberliegenden äußeren Kugelbahnen 6 und inneren Kugelbahnen 8 angeordnete drehmomentübertragende Kugeln 9 sowie einen die Kugeln in der Winkelhalbierenden Ebene haltenden Kugelkäfig 10. Das Gelenkinnenteil 7 hat eine Bohrung 11 mit einer Längsverzahnung, in die die Antriebswelle 4 drehfest eingesteckt und mittels eines Sicherungsrings 12 axial gesichert ist. Der Gelenkraum ist mittels eines Faltenbalgs 13 nach außen hin abgedichtet, so daß
ein Eindringen von Schmutz in den und ein Austritt von Schmiermittel aus dem Gelenkraum verhindert wird.
Am Gelenkaußenteil 5 ist ein zentraler Zapfen 14 mit einer Außenverzahnung 15 angesetzt, der in einen Durchtritt 16 mit einer entsprechenden Innenverzahnung 17 der Radnabe 1 zur Drehmomentübertragung eingreift. Dabei sind die Radnabe 1 und das Drehgelenk 3 über eine Schrauben-Mutter-Verbindung miteinander verspannt. Diese umfaßt eine zentrale Gewindebohrung 18 im Zapfen 14 sowie eine hierin eingeschraubte Schraube 19, welche den Durchtritt 16 axial durchdringt und mit einem Schraubenkopf 20 gegen eine Schulter 21 in einer Eindrehung der Radnabe abgestützt ist. Der Durchtritt 16 umfaßt im Anschluß an die Eindrehung einen flanschseitigen Abschnitt mit einer Öffnung 22, die einen in etwa dem Durchmesser der Schraube 19 entsprechenden Durchmesser Di aufweist, sowie einen gelenkseitigen Abschnitt mit einer Öffnung 23 mit größerem Durchmesser D2, in die der Zapfen 14 eingesteckt ist. Dabei ist die Länge χ des Zapfens 14 kleiner als die Länge LD des Durchtritts 16. Auf diese Weise kann der Durchtritt 16 in einem Verbindungsabschnitt in Richtung Radflansch 2 verjüngend gestaltet sein, wodurch der Querschnitt der Radnabe 1 vergrößert und eine erhöhte Bruchfestigkeit im Bereich größter Spannungen erzielt wird. Durch den verjüngten Durchtritt 16 mit kleiner flanschseitiger Öffnung 22 wird gleichzeitig eine Schulter 21 gebildet, gegen die der Schraubenkopf der Schraube 19 ohne Stützscheibe abgestützt werden kann.
Die Radnaben-Drehgelenk-Anordnung ist mittels eines Radlagers 24 in einem nicht dargestellten Radträger drehbar gelagert. Das Radlager 24 umfaßt zwei Lagerinnenringe 25, 26, die auf einer Lagerfläche 27 der Radnabe 1 aufsitzen, Wälzkörper 28, 29 sowie einen einteiligen Lageraußenring 30. Der gelenkseitige Lagerinnenring 25 steht mit einer Stirnfläche 31 axial über das Ende der Radnabe 1 hinaus und ist gegen eine Schulter mit einer radialen Anlagefläche 33 axial abgestützt und durch die Schrauben-Mutter-Verbindung vorgespannt. Durch die Anlage der Schulter an den Lagerinnenring 25 werden bei Betrieb der Radnaben-Drehgelenk-Anordnung entstehende Biegemomente abgestützt, so daß die Verzahnung zwischen Radnabe 1 und Zapfen 14 weitestgehend frei von Biegemomenten ist. Auf diese Weise kann die tragende Verzahnungslänge zwischen Außenverzahnung 15 des Zapfens 14 und In-
nenverzahnung 17 des Durchtritts 16 kürzer gehalten werden als die Verzahnungslänge zwischen Gelenkinnenteil 7 und Antriebswelle 4. Die Kürze der Verzahnung zwischen Radnabe 1 und Zapfen 14 wirkt sich wiederum positiv auf den Radnabenquerschnitt aus, welcher in Richtung zur flanschseitigen Öffnung 22 verstärkt ist. Dies ist günstig für die Bruchfestigkeit der Radnabe 1 , da im Bereich des flanschseitigen Lagerinnenrings 26, wo die Spannungen am größten sind, der Radnabenquerschnitt verstärkt ist. Insgesamt kann durch diese Bauart der Durchmesser des Radlagers kleiner gestaltet werden, was zu einer Gewichts- und Kostenreduzierung führt.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radnaben- Drehgelenk-Anordnung mit einem Gewindestift am Zapfen. Diese Ausführungsform entspricht weitestgehend der obigen Ausführungsform mit in den Zapfen eingeschraubter Schraube, weswegen auf die Beschreibung zu Figur 1 Bezug genommen wird. Gleiche Bauteile sind mit gestrichenen Bezugsziffern versehen.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach Figur 1 weist die vorliegende Ausführungsform ein Gelenkaußenteil 5' mit Zapfen 14' auf, an dem ein Gewindestift 34 angesetzt ist. Dieser durchdringt den Durchtritt 16' und ist mittels einer aufgeschraubten Mutter 35, die gegen eine Schulter 21' der Radnabe 1' abgestützt ist, mit der Radnabe 1' verspannt. Der Durchmesser des Gewindestiftes 34 entspricht in etwa dem Durchmesser D-ι' der flanschseitigen Öffnung 22' des Durchtritts 16'. Der Gewindestift 34 hat einen kleineren Durchmesser als der Zapfen 14'. Durch diese Ausgestaltung kann der Durchmesser des Durchtritts 16' in Richtung zum Radflansch 2' verjüngend gestaltet werden, so daß der Querschnitt der Radnabe 1' in diesem Bereich vergrößert ist. Hierdurch ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile. Außerdem weist der gesamte Verbund eine hohe Elastizität auf, so daß die Radnabe mit dem Drehgelenk und dem Radlager sicher miteinander verspannt sind. Der Gewindestift 34 ist zusammen mit dem Zapfen 14' und dem Gelenkaußenteil 5' einstückig aus einem oberflächenhärtbaren Vergütungsstahl hergestellt. Hierfür kommt insbesondere 45B2M in Frage. Zur Steigerung der Härte des Zapfens 14' mit Gewindestift 34 wird dieser induktionsgehärtet.
Radnaben-Drehgelenk-Anordnung
Bezugszeichenliste
1 Radnabe 2 Radflansch 3 Drehgelenk
4 Antriebswelle 5 Gelenkaußenteil
6 äußere Kugelbahn 7 Gelenkinnenteil 8 innere Kugelbahn 9 Kugel
10 Kugelkäfig
11 Bohrung
12 Sicherungsring
13 Faltenbalg
14 Zapfen
15 Außenverzahnung
16 Durchtritt
17 Innenverzahnung
18 Gewindebohrung
19 Schraube
20 Schraubenkopf
21 Schulter
22 flanschseitige Öffnung
23 gelenkseitige Öffnung
24 Radlager
25 Lagerinnenring
26 Lagerinnenring
27 Lagerfläche
28 Wälzkörper
29 Wälzkörper
30 Lageraußenring
31 Stirnfläche
33 Anlagefläche
34 Gewindestift
35 Mutter
Di Durchmesser
D2 Durchmesser
LD Länge des Durchtritts
Lz Länge des Zapfens