WO2007115607A1

WO2007115607A1 - Spielfreies gleichlaufdrehgelenk

Info

Publication number: WO2007115607A1
Application number: PCT/EP2007/001756
Authority: WO
Inventors: Stephan Maucher; Wolfgang Hildebrandt
Original assignee: Gkn Driveline International Gmbh
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2007-10-18
Also published as: RU2008144122A; RU2392512C1; CN101460756A; DE102006016843A1; DE102006016843B4; CN101460756B

Abstract

Gleichlaufdrehgelenk (11) umfassend ein Gelenkaußenteil (12) mit umfangsverteilten äußeren Kugelbahnen (15), ein Gelenkinnenteil (17) mit umfangsverteilten inneren Kugelbahnen (19), drehmomentübertragende Kugeln (31), die in Bahnpaaren aus einander zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen (15, 19) einsitzen, sowie einen ringförmigen Kugelkäfig (22) der zwischen Gelenkaußenteil (12) und Gelenkinnenteil (17) einsitzt und umfangsverteilte Käfigfenster (23) aufweist, in denen die drehmomentübertragenden Kugeln (31) in einer gemeinsamen Ebene E gehalten werden, wobei sich die Bahnpaare zumindest zu einem Teil bei gestrecktem Gelenk in einer übereinstimenden axialen Richtung erweitern, der Kugelkäfig (22) sich axial im Gelenkaußenteil (12) abstützt, und das Gelenkinnenteil (17) axiales Spiel gegenüber dem Kugelkäfig (22) hat und wobei Mittel zur federnden Abstützung des Gelenkinnenteils (17) gegenüber dem Gelenkaußenteil (12) vorgesehen sind, die auf das Gelenkinnenteil (17) im Verhältnis zum Gelenkaußenteil (12) in derselben Richtung einwirken, in der sich die Bahnpaare erweitern, wobei der Abstand eines Kontaktbereiches T der gegenseitigen Abstützung von Gelenkinnenteil (17) und Gelenkaußenteil (12) vom Gelenkmittelpunkt M kleiner gleich dem halben Außendurchmesser des Kugelkäfigs (22) ist.

Description

Spielfreies Gleichlaufdrehgelenk

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk umfassend ein Gelenkaußenteil mit um- fangsverteilten längsverlaufenden äußeren Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil mit umfangsverteilten längsverlaufenden inneren Kugelbahnen, drehmomentübertragende Kugeln, die in Bahnpaaren aus einander zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen einsitzen, sowie ein einen ringförmigen Kugelkäfig der zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil einsitzt und umfangsverteilte Käfigfenster aufweist, in denen die drehmomentübertragenden Kugeln in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden, wobei sich die Bahnpaare zumindest zu einem Teil bei gestrecktem Gelenk in einer übereinstimenden axialen Richtung erweitern, der Kugelkäfig sich axial im Gelenkaußenteil abstützt, und das Gelenkinnenteil axiales Spiel gegenüber dem Kugelkäfig hat und wobei Mittel zur federnden Abstützung des Gelenkinnenteils gegenüber dem Gelenkaußenteil vorgesehen sind, die auf das Gelenkinnenteil im Verhält- nis zum Gelenkaußenteil in derselben Richtung einwirken, in der sich die Bahnpaare erweitern.

Gleichlaufgelenke der obengenannten Art werden als Rzeppa-Festgelenke bezeichnet. Je nach Ausführung der äußeren und inneren Kugelbahnen schließen diese Ge- lenke UF-Gelenke (undercut free) mit axial betrachtet hinterschnittfreien Kugelbahnen und AC-Gelenke (angular contact) mit kreisbogenförmigen axial gegeneinander versetzten Kugelbahnen ein. Daneben sind auch andere Bahnverläufe bekannt. Den genannten Rzeppa-Gelenken gemeinsam ist das Merkmal, daß sich die Bahnpaare aus äußeren und inneren Kugelbahnen bei gestrecktem Gelenk zumindest in der Gelenkmittelebene in einer übereinstimmenden axialen Richtung erweitern, wobei mitunter der Begriff .keilförmig erweiternd' verwendet wird. Hiermit entsteht bei Drehmomentbelastung des Gleichlaufdrehgelenks eine relative Axialkraft zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil, die sich somit axial relativ zueinander abstützen müssen, damit das Gelenk nicht demontiert. Es werden hierzu in der Regel sphärische Flächenpaarungen zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Kugelkäfig auf dessen Außenseite und zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Kugelkäfig auf dessen Innenseite verwendet.

Aus der DE 31 14 290 C2 ist es bekannt, auf die relative Abstützung zwischen Ku- gelkäfig und Gelenkinnenteil und damit auf eine Feinbearbeitung der entsprechenden Flächen zu verzichten und stattdessen eine axiale Abstützung zwischen dem Geleπ- kinnenteil und einer innenkugeligen Abstützfläche im Gelenkaußenteil vorzusehen. Eine mit dem Gelenkinnenteil verbundene Stützfläche wird hierbei an einem Zapfenteil ausgebildet, das axial auf das Gelenkinnenteil aufgesetzt ist. Hierbei ist unter an- derem auch eine federnde Abstützung des Zapfenteils gegenüber dem Gelenkinnenteil vorgesehen.

Bei einem gebeugt umlaufenden Gleichlaufdrehgelenk der genannten Art treten innere Reibungskräfte auf, die zum einen durch die mit Umlauffrequenz in den Bahnpaa- ren hin- und herlaufenden Kugeln erzeugt werden, zum anderen durch Reibungskräfte zwischen dem Gelenkaußenteil bzw. dem Gelenkinnenteil und dem jeweils relativ zu diesen betrachtet sich mit Umlauffrequenz taumelnd bewegenden Kugelkäfig.

Bei dem vorstehend genannten Gleichlaufdrehgelenk wird zwar Reibung zwischen dem Kugelkäfig und dem Gelenkinnenteil vermieden, dafür entsteht jedoch ein Rei- bungsmomeπt durch die gleitende Bewegung zwischen dem genannten Zapfen und in der innenkugeligen Abstützfläche im Gelenkaußenteil, die sich bezüglich letzterem als Kreisbewegung darstellt, die von einer Drehbewegung überlagert ist. Die Summe der von diesen Reibungskräften erzeugten Momente wird als Schleppmoment des Gelenks bezeichnet, das also aufzubringen ist, um das gebeugt eingestellte Gelenk ohne Gegenmoment auf der Abtriebsseite anzutreiben bzw. durchzudrehen. Bei dem obengenannten Gleichlaufdrehgelenk ist das von der Reibung des genannten Abstützzapfens genannte Reibungsmoment erheblich und erhöht somit das Schleppmoment in nachteiliger Weise. Es wird nachfolgend auch als Abstützschleppmoment bezeichnet.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein spielfreies Gleichlaufdrehgelenk der genannten Art so weiterzubilden, daß es ein reduziertes Schleppmoment aufweist. Die Lösung hierfür ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand x eines Kontaktbereiches T der gegenseitigen Abstützung von Gelenkinnen- teil und Gelenkaußenteil vom Gelenkmittelpunkt M kleiner gleich dem halben Außendurchmesser D/2 des Kugelkäfigs ist. Mit den hiermit angegebenen Mitteln wird das Reibungsmoment der axialen Abstützung reduziert, indem der Hebelarm R, mit dem die Reibungskraft F bei Drehung des Gelenks angreift, wesentlich reduziert wird. Ein Gleichlaufdrehgelenk der hiermit genannten Art ist insbesondere als Lenkungsge- lenk, d.h. also im Einsatz in der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges besonders geeignet, bei dem Spielfreiheit und geringes Schleppmoment gleichermaßen bedeutsam sind.

Besonders vorteilhaft ist an der gewählten Ausführung, daß die Grundkonstruktion des Gelenks im wesentlichen unverändert bleibt, und die zur federnden axialen Abstützung eingesetzten Elemente nach Ausführen entsprechender Bohrungen im Gelenkaußenteil und/oder im Gelenkinnenteil bzw. in einer in dieses eingesteckten Antriebswelle ergänzt werden können, ohne daß die Gelenkfunktionen beeinträchtigt werden.

In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Abstand x kleiner gleich dem halben Innendurchmesser d/2 des Kugelkäfigs in der Gelenkmittelebene E ist, insbesondere daß der Abstand x kleiner gleich dem halben Außendurchmesser Di/2 des Gelenkinnenteils ist. Hiermit wird das genannte Abstützschleppmoment in zu- nehmendem Ausmaß reduziert. Das genannte Abstützschleppmoment kann praktisch vernachlässigt werden, wenn in einer besonderen Ausführungsform der Abstand x zu Null gesetzt wird. Während es grundsätzlich verstanden werden soll, daß der Abstand x von der Gelenkmitte zum Boden bzw. Deckel des Gelenkaußenteils hin angetragen wird, jedoch in jedem Fall kleiner als bei bekannten Gelenken gewählt wird, ist es in einer abgewandelten Ausführungsform auch möglich, daß der Abstand vom Gelenkmittelpunkt in Richtung zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteil angetragen wird.

Nach einer ersten Ausführungsform können die im Kontaktbereich T gegenseitig in Anlage befindlichen Flächen der Abstützelemente wie bei dem obengenannten Gelenk einerseits als ballige Fläche, insbesondere als Außensphäre, andererseits als Hohlfläche, insbesondere als Innensphäre ausgebildet sein. Nach einer zweiten Ausführungsform ist es auch möglich, daß beide genannten Flächen als ballige, insbesondere als außensphärische Flächen ausgeführt werden. Hiermit ist anstelle eines Flächenkontakts quasi ein Punktkontakt möglich, mit dem der Reibungsanteil der Relativdrehung reduziert werden kann. Nach einer dritten Ausführungsform ist es schließlich möglich, eine der genannten Flächen ballig, insbesondere außensphärisch, und die andere radial eben auszubilden. Auch hierbei ergibt sich quasi ein Punktkontakt.

Nach einer ersten konstruktiven Ausgestaltungsform ist vorgesehen, daß das Ge- lenkaußenteil einen Boden oder Deckel umfaßt, in dem ein federnd abgestützter Zapfen koaxial geführt ist, und daß am Gelenkinnenteil eine stirnseitige ballige Stützfläche ausgebildet ist, an der der Zapfen mit Vorspannung anliegt.

Hierbei wird vorgeschlagen, daß die Stützfläche an einem Stützkörper ausgebildet ist, der mit dem Gelenkinnenteil fest verbunden ist.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß die Stützfläche an einem Stützkörper ausgebildet ist, der in eine in das Gelenkinnenteil eingesteckte Antriebswelle eingesetzt ist.

Eine alternative konstruktive Ausführungsform geht dahin, daß das Gelenkaußenteil einen Boden oder Deckel umfaßt, in dem ein koaxial geführter Zapfen federnd abgestützt ist, und daß am Gelenkinnenteil eine axial innerhalb der inneren Kugelbahnen liegende Stützfläche ausgebildet ist, an der der Zapfen mit Vorspannung anliegt. Die Stützfläche kann in großer Nähe zum Gelenkmittelpunkt angeordnet werden. Hierbei kann die Stützfläche in einer ersten Ausführung ballig sein, wobei ihr Scheitelpunkt im Gelenkmittelpunkt liegt, während die Stützfläche nach einer zweiten Ausführung kalottenförmig sein kann, wobei ihr Krümmungsmittelpunkt im Gelenkmittelpunkt liegt.

Zur konstruktiven Vereinfachung kann hierbei vorgesehen werden, daß die vorgenannte Stützfläche unmittelbar an einer in das Gelenkinnenteil eingesteckten An- triebswelle ausgebildet ist.

Um große Winkelbewegungen zuzulassen, ist vorgesehen, daß sich die Antriebswelle und gegebenenfalls das Gelenkinnenteil von der Stützfläche zum Zapfen hin axial innenkegelig erweitern.

Eine weitere konstruktive Ausgestaltungsform geht dahin, daß das Gelenkaußenteil einen Boden oder Deckel umfaßt, in dem ein koaxialer Zapfen fest eingesetzt ist, und daß am Gelenkinnentei! ein federnd abgestützter Stützkörper koaxial geführt ist, der mit einer Stützfläche mit Vorspannung am Zapfen anliegt.

Hierzu wird vorgeschlagen, daß das Stützteil unmittelbar in einer in das Gelenkinnenteil eingesetzten Antriebswelle geführt ist und sich federnd, insbesondere über eine Schraubendruckfeder in der Antriebswelle abstützt.

Auch hierzu wird vorgeschlagen, daß sich die Antriebswelle und gegebenenfalls das Gelenkinnenteil vom Stützkörper zum Zapfen hin innenkonisch erweitern. Konstruktiv günstig ist es hierbei wiederum, daß der Zapfen und der Stützkörper jeweils ballige, insbesondere außensphärische Kontakt- bzw. Stützflächen aufweisen. Ebenso ist es möglich, daß der Zapfen eine ballige, insbesondere außensphärische Kontaktfläche und der Stützkörper eine ebene radiale Stützfläche hat.

Auch hierzu wird vorgeschlagen, daß die Antriebswelle am das Stützteil aufnehmenden Stirnende innenkonisch erweitert ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gleichlaufdrehgelenk in einer ersten Ausführung a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung b) im Längsschnitt in abgewinkelter Stellung c) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung b;

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Gleichlaufdrehgelenk in einer zweiten Ausführung a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung b) im Längsschnitt in abgewinkelter Stellung c) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung b; d) in der vergrößerten Einzelheit Y nach Darstellung c;

Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Gleichlaufdrehgelenk in einer dritten Ausführung a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung b) im Längsschnitt in abgewinkelter Stellung c) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung b; d) in der vergrößerten Einzelheit Y nach Darstellung c;

Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Gleichlaufdrehgelenk in einer vierten Ausführung a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung b) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung a; c) in der vergrößerten Einzelheit Y nach Darstellung b;

Die einzelnen Darstellungen der Figur 1 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird. Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußen- teil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpuπkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfaßt weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüber hinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Bo- den 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die Winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig 22 hat eine kugelige Außenfläche 24, die im wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so daß das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.

In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 ge- führter Zapfen 36 eingesetzt, der in einer Bohrung 37 geführt ist, die bis in den Wellenzapfen 14 reicht. Der Zapfen 36 stützt sich über eine Schraubendruckfeder 38 im Wellenzapfen 14 und damit gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 ab. Der Zapfen 36 hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39. Dem Zapfen 36 gegenüberliegend befindet sich am Gelenkiπnenteil 17 ein Stützkörper 41, der sich mit einer Anlagefläche 42 an einer Stirnfläche 26 des Gelenkinnenteils 17 abstützt. Der Stützkörper 41 ist mit einem Ansatz 44 in eine innenzylindrische Bohrung 27 der Antriebswelle 18 eingesetzt. Der Stützkörper 41 bildet eine außenkugelige Abstützfläche 43, auf die der Zapfen 36 mittels der Kontaktfläche 39 mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung b zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36 und dem Stützkörper 41 aufgrund der koaxialen Anordnung des Zapfens im Gelenkaußenteil immer nahe der Längsachse A12 des Gelenkaußenteils, wandert jedoch bei Abwinklung der Längsachse A18 des Gelenkinnenteils um einen Gelenkbeugewinkel ß um den gleichen Winkel ß von der Längsachse L18 auf der Kugeloberfläche der Abstützfläche 43 des Stützkörpers 41. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereiches T vom Gelenkmittelpunkt M ist bei kugeliger Form der Abstützfläche 43 gleichbleibend und in jedem Fall kleiner als der Radius D/2 der ku- geligen Außenfläche 24 des Kugelkäfigs, vorzugsweise kleiner als der Rollkreisradius D«/2 der Kugeln und insbesondere kleiner als der Radius d/2 der Innenfläche 25 des Kugelkäfigs. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, nimmt mit dem Gelenkbeugewinkel ß zu. Wenn die Abstützfläche 43 abwei- chend gestaltet ist, beispielsweise als Ellipsoid, ändert sich bei Abwinkelung aufgrund der veränderlichen Einfederung der Schraubendruckfeder 38 die Kraft F ebenso wie die Abhängigkeit des Hebelarms R vom Winkel ß, da der Hebelarm R dann keine reine Sinusfunktion mehr von ß ist.

In dem hier dargestellten Normalfall ist jedoch die Abstützfläche 43 kugelig, so daß x ebenso konstant bleibt wie F. Die vorgespannte Schraubendruckfeder 38 und damit der Zapfen 36 verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über den Stützkörper 41 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln 31 stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Gegenüber bekannten Gelenken ist der axiale Abstand x des Kontaktpunk- tes T vom Gelenkmittelpunkt M deutlich verkürzt, so daß bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, ebenfalls klein ist.

Die einzelnen Darstellungen der Figur 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird.

Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußenteil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfaßt weiterhin ein Ge- lenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüberhinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußen- teils 12 hin versetzt ist.

Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die Winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig 22 hat eine kugelige Außenfläche 24, die im wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugel- bahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so daß das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.

In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 ge- führter Zapfen 36₂ eingesetzt, der in einer Bohrung 37 geführt ist, die bis in den Wellenzapfen 14 reicht. Der Zapfen 36 stützt sich über eine Schraubendruckfeder 38 im Wellenzapfen 14 und damit gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 ab. Der Zapfen 36 hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39₂. Dem Zapfen 36₂ gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil 17 und der in dieses eingesteckten Antriebswelle 18 eine innenkonische Erweiterung 28. Am Grund der Erweiterung 28 ist eine außenkugelige Abstützfläche 43₂ mit geringem Radius ausgebildet, auf die der Zapfen 36₂ mittels der Kontaktfläche 39₂ mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung d zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36₂ und der Abstützfläche 43₂ aufgrund der koaxialen Anordnung des Zapfens im Gelenkaußenteil immer nahe der Längsachse A12 des Gelenkaußenteils, wandert jedoch bei Abwink- lung der Längsachse A18 des Gelenkinnenteils um einen Gelenkbeugewinkel ß um den gleichen Winkel ß von der Längsachse A 18 auf der kugeligen Abstützfläche 43₂. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereich T vom Gelenkmittelpunkt M ist in diesem Fall gleich null. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung ei- nes Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, ist damit zu vernachlässigen.

Die vorgespannte Druckfeder 38 und damit der Zapfen 36₂ verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über die Antriebswelle 18 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln 31 stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Wie ausgeführt, ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M gleich null, so daß bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, zu vernachlässigen ist. Die einzelnen Darstellungen der Figur 3 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird.

Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußenteil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfaßt weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüberhinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist.

Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die Winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig hat eine kugelige Außenfläche 24, die im wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so daß das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist. In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 geführter Zapfen 36₃ eingesetzt, der in einer Bohrung 37 geführt ist, die bis in den Wellenzapfen 14 reicht. Der Zapfen 36₃ stützt sich über eine Schraubendruckfeder 38 im Wellenzapfen 14 und damit gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 ab. Der Zapfen 36 hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39₃. Dem Zapfen 36₃ gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil und der in dieses eingesteckten Antriebswelle 18 eine konische Erweiterung 28. Am Grund der Erweiterung befindet sich eine innenkugelige kalottenförmige Abstützfläche 43₃, auf die der Zapfen 363 mittels der Kontaktfläche 39₃ mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung d zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36₃ und der Abstützfläche 43₃ aufgrund der koaxialen Anordnung des Zapfens im Gelenkaußenteil immer nahe der Längsachse A12 des Gelenkaußenteils, wandert jedoch bei Abwinklung der Längsachse A18 des Gelenkinnenteils um einen Gelenkbeugewinkel ß, um den gleichen Winkel ß von der Längsachse A 18 auf der Kugeloberfläche 43 des Stopfens 41. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereiches T vom Gelenkmittelpunkt M ist in diesem Fall zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils hin angetragen. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, ist hierbei sehr klein.

Die vorgespannte Druckfeder 38 und damit der Zapfen 36₃ verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über die Antriebswelle 18 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphäri- sehen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Gegenüber bekannten Gelenken ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M deutlich verkürzt, so daß bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, ebenfalls klein ist.

Die einzelnen Darstellungen der Figur 4 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird. Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstuckig angeformt sind Der Boden oder ein Deckel konnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußen- teil 12 sind längsverlaufende umfangs verteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krummungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfaßt weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüberhinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist.

Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die Winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Kafigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig hat eine kugelige Außenfläche 24, die im wesentlichen spielfrei in einer inπenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 gefuhrt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so daß das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.

In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 angeordneter Zapfen 36₄ fest eingesetzt. Der Zapfen 36₄ hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39₄. Dem Zapfen 36₄ gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil ein Stützkörper 41₄, der in einer Bohrung 29 geführt ist und sich über eine Schrauben- druckfeder 30 in der Antriebswelle 18 und damit gegenüber dem Gelenkinnenteil 17 abstützt. Der Stützkörper 41₄ bildet eine außenkugelige Abstützfläche 43₄, die auf den Zapfen 36₄ über die Kontaktfläche 39₄ mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung b zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36₄ und dem Stützkörper 41₄ in der Gelenkmittelebene E. Während in den Darstellungen a und b die Abstützfläche 43₄ ebenso wie die Kontaktfläche 39₄ ballig ist, ist in der Einzelheit Y nach Darstellung c eine radial ebene Abstützfläche 43₄' gezeigt, die mit einer balligen Kontaktfläche 39₄ zusammenwirkt. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereiches T vom Gelenkmittelpunkt M ist somit wieder gleich null. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, ist damit zu vernachlässigen.

Die vorgespannte Schraubendruckfeder 30 verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittel- bar über die Antriebswelle 18 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Wie ausgeführt, ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M gleich null, so daß bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, zu vernachlässigen ist.

In allen Ausführungsbeispielen sollen die Kugeln vorzugsweise pressungsfrei in den Käfigfenstern verbaut sein.

Bezugszeichenliste

11 Gleichlaufdrehgelenk

12 Gelenkaußenteil

13 Boden

14 Wellenzapfen

15 äußere Kugelbahn

16 Öffnung (12)

17 Gelenkinnenteil

18 Antriebswelle

19 innere Kugelbahn

20 kugelige Innenfläche (12)

21 Außenfläche (17)

22 Kugelkäfig

23 Käfigfenster

24 kugelige Außenfläche (22)

25 Innenfläche (22)

26 Stirnfläche

27 Bohrung

28 Erweiterung

29 Bohrung

30 Schraubendruckfeder

31 Kugel

36 Zapfen

37 Bohrung

38 Schraubendruckfeder

39 Kontaktfläche 41 Stützkörper

42 Anlagefläche

43 Abstützfläche

44 Ansatz

X Abstand

R Hebelarm

F Kraft

T Kontaktbereich

A₁₂ Längsachse (12)

Ais Längsachse (18)

A₂₂ Längsachse (22)

M Gelenkmittelpunkt

K Kugelmittelpunkt

E Gelenkmittelebene

Claims

Spielfreies GleichlaufdrehgelenkPatentansprüche

1. Gleichlaufdrehgelenk (11) umfassend ein Gelenkaußenteil (12) mit umfangsverteilten äußeren Kugelbahnen (15), ein Gelenkinnenteil (17) mit umfangsverteilten inneren Kugelbahnen (19), drehmomentübertragende Kugeln (31), die in Bahnpaaren aus einander zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen (15, 19) einsitzen, sowie einen ringförmigen Kugelkäfig (22) der zwischen Gelenkaußenteil (12) und Gelenkinnenteil (17) einsitzt und umfangsverteilte Käfigfenster (23) aufweist, in denen die drehmomentübertragenden Kugeln (31) in einer gemeinsamen Ebene (E) gehalten werden, wobei sich die Bahnpaare zumindest zu einem Teil bei gestrecktem Gelenk in einer übereinstimenden axialen Richtung erweitern, der Kugelkäfig (22) sich axial im Gelenkaußenteil (12) abstützt, und das Gelenkinnenteil (17) axiales Spiel gegenüber dem Kugelkäfig (22) hat und wobei Mittel zur federnden Abstützung des Gelenkinnenteils (17) gegenüber dem Gelenkaußenteil (12) vorgesehen sind, die auf das Gelenkinnenteil (17) im Verhältnis zum Gelenkaußenteil (12) in derselben Richtung einwirken, in der sich die Bahnpaare erweitern,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand x eines Kontaktbereiches T der gegenseitigen Abstützung von Gelenkinnenteil (17) und Gelenkaußenteil (12) vom Gelenkmittelpunkt M kleiner gleich dem halben Außendurchmesser D/2 des Kugelkäfigs (22) ist.

2. Gelenk nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand x kleiner gleich dem halben Innendurchmesser d/2 des Kugelkäfigs (22) in der Gelenkmittelebene E ist.

3. Gelenk nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand x kleiner gleich dem halben Außendurchmesser Di/2 des Gelenkinnenteils (17) ist.

4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand x gleich Null ist.

5. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand x vom Gelenkmittelpunkt M aus in der Richtung angetragen ist, in der sich die Bahnpaare öffnen.

6. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Kontaktbereich T konzentrisch zur Längsachse L12 des Gelenkaußenteils (12) angeordnet ist.

7. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß die sich im Kontaktbereich T in gegenseitigem Kontakt befindlichen Flächen (39, 43) beide ballig, insbesondere außensphärisch sind.

8. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß die sich im Kontaktbereich T in gegenseitigem Kontakt befindlichen Flächen (39, 43) zum einen ballig, zum anderen hohl sind, insbesondere eine Außensphäre und eine Innensphäre bilden.

9. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß von den sich im Kontaktbereich T in gegenseitigem Kontakt befindlichen Flächen (39, 43) die eine ballig, insbesondere außensphärisch, und die andere eben ist.

10. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gelenkaußenteil (12) einen Boden (13) oder Deckel umfaßt, in dem ein federnd abgestützter Zapfen (36) koaxial geführt ist, und daß am Gelenkinnenteil (17) eine stirnseitige ballige Stützfläche (43) ausgebildet ist, an der der Zapfen (36) mit Vorspannung anliegt. (Figur 1)

11. Gelenk nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stützfläche (43) an einem Stützkörper (41) ausgebildet ist, der mit dem Gelenkinnenteil (17) fest verbunden ist.

12. Gelenk nach Anspruch 11 ,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stützfläche (43) an einem Stützkörper (41) ausgebildet ist, der in eine in das Gelenkinnenteil (17) eingesteckte Antriebswelle (18) eingesetzt ist.

13. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gelenkaußenteil (12) einen Boden (13) oder Deckel umfaßt, in dem ein koaxial geführter Zapfen (36₂, 36₃) federnd abgestützt ist, und daß am Gelenkinnenteil (17) eine axial innerhalb der Kugelbahnen (19) liegende Stützfläche (43₂, 43₃) ausgebildet ist, an der der Zapfen (36₂, 36₃) mit Vorspannung anliegt. (Figur 2, Figur 3)

14. Gelenk nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stützfläche (43₂) ballig ist und ihr Scheitel insbesondere etwa im Gelenkmittelpunkt M liegt. (Figur 2)

15. Gelenk nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stützfläche (43₃) kalottenförmig ist und ihr Krümmungsmittelpunkt insbesondere etwa im Gelenkmittelpunkt M liegt. (Figur 3)

16. Gelenk nach einem der Ansprüche 12 bis 15,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stützfläche (43₂, 43₃) unmittelbar an einer in das Gelenkinnenteil (17) eingesteckten Antriebswelle (18) ausgebildet ist.

17. Gelenk nach einem der Ansprüche 13 bis 15.

dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Antriebswelle (18) und gegebenenfalls das Gelenkinnenteil (17) von der Stützfläche (43₂, 43₃) zum Zapfen (36₂, 36₃) hin axial innenkegelig erweitern.

18. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gelenkaußenteil (12) einen Boden (13) oder Deckel umfaßt, in dem ein koaxialer Zapfen (36₄) fest eingesetzt ist, und daß im Gelenkinnenteil (17) ein federnd abgestützter Stützkörper (41₄) koaxial geführt ist, der mit einer Stützfläche (43₄) mit Vorspannung am Zapfen (36₄) anliegt. (Figur 4)

19. Gelenk nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Zapfen (36₄) und der Stützkörper (41₄) jeweils ballige, insbesondere sphärische Stützflächen (39₄, 43₄) aufweisen.

20. Gelenk nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Zapfen (36₄) eine ballige, insbesondere außensphärische Kontaktfläche (39₄) und der Stützkörper (41₄) eine ebene Stützfläche (43₄) aufweist.

21. Gelenk nach einem der Ansprüche 18 bis 20,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Stützkörper (41₄) unmittelbar in einer in das Gelenkinnenteil (17) eingesetzten Antriebswelle (18) koaxial geführt ist und sich federnd in der Antriebswelle (18) abstützt.

22. Gelenk nach einem der Ansprüche 18 bis 21,

dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Antriebswelle (18) und gegebenenfalls das Gelenkinnenteil (17) vom Stützkörper (41₄) zum Zapfen (36₄) hin innenkonisch erweitern.