WO2024125714A1 - GELENKAUßENTEIL FÜR EIN VERSCHIEBEGELENK VOM TYP EINER TRIPODE UND VERSCHIEBEGELENK VOM TYP EINER TRIPODE - Google Patents

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WO2024125714A1
WO2024125714A1 PCT/DE2023/100958 DE2023100958W WO2024125714A1 WO 2024125714 A1 WO2024125714 A1 WO 2024125714A1 DE 2023100958 W DE2023100958 W DE 2023100958W WO 2024125714 A1 WO2024125714 A1 WO 2024125714A1
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WO
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roller
transition
radius
axis
bell
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PCT/DE2023/100958
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Frost
Heiko Winkel
Kirstin Neumann-Held
Pascal Dünwald
Original Assignee
Ifa-Technologies Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/20—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members
    • F16D3/202—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members one coupling part having radially projecting pins, e.g. tripod joints
    • F16D3/205—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members one coupling part having radially projecting pins, e.g. tripod joints the pins extending radially outwardly from the coupling part
    • F16D3/2055—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members one coupling part having radially projecting pins, e.g. tripod joints the pins extending radially outwardly from the coupling part having three pins, i.e. true tripod joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/20—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members
    • F16D3/202—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members one coupling part having radially projecting pins, e.g. tripod joints
    • F16D2003/2026—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members one coupling part having radially projecting pins, e.g. tripod joints with trunnion rings, i.e. with tripod joints having rollers supported by a ring on the trunnion

Definitions

  • the invention is based on an outer joint part for a plunging joint of the tripod type according to the preamble of claim 1 and a plunging joint of the tripod constant velocity joint type according to the preamble of claim 11.
  • Plunger joints of the tripod constant velocity joint type are used in particular in vehicle drive trains to transmit torque between two shafts which, when in operation, perform both an axial displacement and a bending relative to one another.
  • the main components of such plunger joints are an outer joint part in the form of a bell, in which an inner joint part in the form of a tripod star is arranged via rollers so that it can be axially displaced and bent.
  • Such plunger joints have been known for a long time and are described in detail in DE 10 2013 106 868 B3, for example.
  • a constant velocity universal joint of the tripod type which has both high strength and a long service life and can minimize rolling resistance when transmitting torque at a joint angle. It consists of a housing which is attached to a first shaft and a tripod star with journal axes which are arranged at the same angular distance from a second shaft. The cross-section perpendicular to the axis of the journal is elliptical, with the smaller diameter running parallel to the second shaft.
  • the rollers guided in the housing can tilt by an angle ß from the guide track of the housing (US 6,533,668 B2).
  • the disadvantage of such external joint parts is that when the roller tilts and pitches, it comes to a stop at different contact points.
  • a constant velocity joint of the tripod type with an outer joint part that has three axially extending guide grooves that are distributed around the circumference at equal angular distances from one another and are parallel to the axis.
  • the guide grooves each have two guideways that are assigned opposite one another and have a contact geometry.
  • the constant velocity joint also has an inner joint part that has pins that correspond to the guideways of the outer joint part and are directed radially outwards with respect to the longitudinal axis of the constant velocity joint, the free end of which is in the form of a spherical pin head. Rollers are rotatably mounted on these pin heads and are guided in the guide grooves of the joint.
  • outer steering part axially displaceable.
  • a stop surface is provided which is formed by a transition surface which is curved several times in alternating directions.
  • the rollers stop on a convexly curved part of this surface which projects inwards, in the direction of the axis of rotation of the constant velocity universal joint, to which a concavely curved surface immediately adjoins on both sides as a transition at one end into the free space and at the other end into the guideway of the outer joint part (DE 43 05 278 C1).
  • the disadvantage of this outer joint part is that its design requires a greater wall thickness in the area of the guideways. This also makes hardening of certain zones more difficult. As a result, strong fluctuations in hardness are to be expected in the transition between the raceway and the starting contour.
  • a tripod universal joint is known with an outer joint part that has three elongated guide channels, each with two opposite concave-shaped side surfaces that have a parabolic profile, an inner joint part with three pins that have a semi-spherical surface on the outside to accommodate a roller arrangement.
  • the parabolically shaped side surfaces of the outer joint part have a radially outer part with a smaller radius of curvature than a radially inner part of the parabolically shaped side surfaces.
  • the radius of the inner part is equal to or larger than the maximum radius of the outer ring of the rollers. This ensures that the running surface of the outer ball does not hit the inner part of the parabolic side surface on the unloaded side.
  • Rollers are also known in which both the outer ring and the inner ring take on a contact function, whereby the outer ring has a spherical surface adapted to the roller guide surface of the bell, which lies completely against the roller guide surface of the bell, while the inner ring lies against the bell with its outer face (DE 44 39 965 A1, DE 43 05 278 C1 and DE 43 27 606 C2).
  • DE 43 05 278 C1 a bevel is provided on the transition area facing the axis of rotation of the tripod joint from the spherical main transmission surface to the inner face, through which a larger bending angle of the joint is achieved.
  • a tripod type constant velocity universal joint having a roller assembly.
  • An outer peripheral surface of an outer roller of the roller assembly has an outward and an inward facing side surface arranged asymmetrically to a plane perpendicular to the rotation axis of the roller and passing through its center line.
  • a roller guide surface of a guide groove includes an outward guide surface for guiding the outward facing side surface and an inward guide surface for guiding the inward facing side surface.
  • Either the outer guide surface or the inner guide surface is formed as a concave curved surface making line contact with an outer roller side convex curved surface, and the other guide surface is formed as a convex curved surface making line contact with an outer roller side conical surface.
  • the disadvantage of these plunging joint assemblies is that they contribute to an increased third-order axial force generation, both as an individual assembly and in conjunction in the plunging joint, and as a result to NVH abnormalities, especially at high torques and bending.
  • NVH abnormalities especially at high torques and bending.
  • a different technical solution requires an increased wall thickness in certain areas of the contact surface with the rollers, which in turn causes problems in terms of manufacturing and also increases the weight of the outer joint part.
  • the invention is based on the task of optimizing the known outer joint parts of tripod-type sliding joints so that they generate the lowest possible self-induced axial force and generate minimal NVH emissions with improved efficiency, particularly in conjunction with the rollers.
  • their manufacture should be possible in a simple manner by avoiding complicated and mass-intensive raceway contours.
  • the outer joint parts should also be usable at large bending angles.
  • the main contribution of the outer joint part of the sliding joint, hereinafter referred to as the bell, to improving the efficiency and minimizing the NVH emissions of the sliding joint consists in a modified radial outer contact geometry for the rollers of the sliding joint in the guide grooves of the bell.
  • the contact geometry here is the area in the guide grooves of the bell where the rollers rest with the transition area from their spherical main force transmission surface, i.e. their radial peripheral surface, to their outward-facing front surface.
  • the area of the guide grooves where the rollers rest at least partially with their radial peripheral surface is referred to as the roller guide surface.
  • the radial outer contact geometry of the bell according to the invention consists of a flat surface that is slightly inclined at an angle y to an orthogonal to the axis of rotation of the respective roller, and a convexly curved surface that adjoins it in the direction of the axis of rotation of the respective roller. surface is formed, which merges into a recess between the front surface of the respective roller. The opposite side of the inclined flat surface merges into the roller guide surface via a concavely curved surface. This increases the torque to be transmitted and significantly improves the NVH behavior with the same outer diameter.
  • the angle y is approximately 1° to 3°. This results in the formation of a narrowing gap in the direction of the starting point of the roller, i.e. a point contact, which improves lubrication and consequently the NVH behavior.
  • the radius of the concave curved surface that leads into the roller guide surface can be selected to be greater than 2.5 mm, which increases the service life of the forging tool used to produce the bell.
  • the horizontal distance between the outer starting points of the rollers on the system geometry according to the invention and the axis of symmetry of the bell bisecting the track per track is 0.29 times the diameter of the outer ring of the roller. Depending on the roller class, this value can deviate by +/- 1.5%.
  • a narrow flat surface is arranged between the concavely curved surface and the roller guide surface. This ensures tangent continuity in the transition area of these surfaces, which reduces notch stresses in the transitions to the concavely curved surface and the roller guide surface and thus maximizes the transmission capacity of the component.
  • a further design of the transition area with the same aim as mentioned above can consist in providing a narrow convex curved surface instead of the narrow flat surface between the concave curved surface and the roller guide surface, so that a kind of turning point is created in the surface profile between the system geometry and the roller guide surface.
  • the convexly curved surface extending in the direction of the axis of rotation of the respective roller is divided into two curved partial surfaces, and the transition into the recess (or: the free space) is formed by an additional partial surface with a concave curvature, so that the convexly curved partial surface merges into the free space without a step.
  • the convex curved surface that transitions radially inwards into the clamping diameter surface is divided into three partial surfaces, with a concave curved partial surface arranged between the two convex curved partial surfaces.
  • its clamping diameter is reduced so that the roller, when bent, i.e. under load, also touches the radially inward transition of the roller guide surface into the clamping diameter surface, creating a second starting point for the roller.
  • the additional starting surface(s) change the tilting kinematics of the roller when the rolling direction changes, thereby avoiding unfavorable friction conditions, which in turn has a positive effect on the periodic NHV excitation of the tripod.
  • the radii of the three curved partial surfaces are calculated according to the formula
  • the object of the invention is further achieved in combination with the outer joint part according to the invention according to a scooter with the characterizing features of claim 9 by a modification of the spherical main force transmission surface of the Outer ring of the rollers arranged angularly movable on the pin heads of the tripod star.
  • the transition from the spherical main force transmission surface to the outer and inner end face is formed by a short flat surface.
  • a transition radius is provided at the respective transition from the spherical main force transmission surface to the short flat surface and from the flat surface to the outer and inner end face.
  • the transition radii from the spherical main force transmission surface to the short flat surface are greater than 1.5 mm and/or the transition radii from the flat surface to the outer and inner end faces are smaller than 0.1 mm.
  • the short flat surface is divided into two partial surfaces, with the second partial surface, viewed in the axial direction, merging over a radius into the respective front surface of the roller.
  • This purely calculated clearance is a theoretical clearance that occurs when the sliding joint is unloaded.
  • the raceway clearance between its contact surface in the area of the first and second partial surfaces adjoining the roller guide surfaces radially inwards, i.e. in the area of the second contact point, and the outer ring of the roller in the unloaded state is a maximum of 0.8 times the radial raceway clearance.
  • the bell has the features mentioned in claim 1, wherein the angle y is 2°, the horizontal distance of the outer starting points of the rollers on the system geometry according to the invention to the axis of symmetry of the bell bisecting the track per track is 0.29 times the diameter of the outer ring of the roller, a narrow flat surface is arranged between the concavely curved surface and the roller guide surface, which the convexly curved surface extending in the direction of the axis of rotation of the respective roller is divided into two curved partial surfaces, and the transition into the recess (or: the free space) is formed by an additional partial surface with a concave curvature, so that the convexly curved partial surface merges into the free space without a step, and
  • the outer joint part of the tripod-type sliding joint according to the invention is suitable for all sliding joint applications on vehicles both as a stand-alone assembly and in combination with the rollers according to the invention. It falls into the category of tripods with angle compensation of the rollers, i.e. the roller and tripod star axis do not necessarily have to be at an angle of 90° to each other. Instead, the rollers are ideally only guided in their track and do not build up a helix angle to it.
  • Fig. 1 is a spatial exploded view of the main components of a tripod constant velocity joint type
  • Fig. 2 is a front view of the sliding joint from Fig. 1 in the assembled state with the inner joint part bent relative to the outer joint part,
  • Fig. 3 a section through an assembled joint perpendicular to the axis of rotation of the inner joint part in a first variant
  • Fig. 4 a section through an assembled joint perpendicular to the axis of rotation of the inner joint part in a second variant
  • Fig. 5 a section through the outer joint part perpendicular to its axis of rotation of a first variant of the transition from the roller guide surface to a first starting point
  • Fig. 6 a section through the outer joint part perpendicular to its axis of rotation of a second variant of the transition from the roller guide surface to the first starting point
  • Fig. 7 shows a section J1 from Fig. 5
  • Fig. 9 a section J3 from Fig. 6,
  • Fig. 11 a section J5 of the first variant from Fig. 5 with a roller
  • Fig. 12 a section J6 of a combination of the two variants from Fig. 7 and 9 with a roller
  • Fig. 13 an isometric view of an inner joint part
  • Fig. 14 is an axial sectional view of a first variant of a scooter
  • Fig. 15 a section L1 with an enlarged view of the installation geometry of the roller from Fig. 14,
  • Fig. 16 is an axial section view of a second variant of a scooter
  • Fig. 17 shows a section L2 with an enlarged view of the system geometry of the second variant of the roller from Fig. 16.
  • Fig. 1 shows a spatial exploded view
  • Fig. 2 a front view of a sliding joint of the type of a tripod constant velocity joint 1 with its main components, namely - an outer joint part in the form of a cylindrical bell 10 rotating about a first axis of rotation 2 and rotatably connectable to a first shaft not shown here,
  • the first shaft (not shown) can be connected to the bell 10 in a rotationally fixed manner, for example by welding, via a projection 10.1.
  • Fig. 3 and 4 show a section through an assembled sliding joint perpendicular to the axis of rotation of the inner joint part without bending, i.e. with the first and second axes of rotation 2, 3 aligned
  • Fig. 5 and 6 each show a section through the bell 10 as an individual part, wherein Fig. 3 and 5 each show a first variant with respect to the roller guide in the bell 10 in the radial outward direction and Fig. 4 and 6 each show a second variant of this area.
  • the bell 10 has an outer radius R10 and an inner radius R11 for the first variant or R12 for a second variant to be described later with regard to the roller guide in the bell 10 in the radially inward direction, wherein the inner radii R11, R12 are also referred to as clamping radii of the bell 10 and the inner circumference as the clamping diameter area 10.2 and the inner radius R11 of the first variant (Fig. 6) is larger than the inner radius R12 of the second variant (Fig. 5).
  • the inner or clamping radius R11, R12 largely determines the bending angle ß (not shown) that can be achieved between the first shaft of the bell 10 and the second shaft 4 of the tripod star 20 when the tripod star 20 is retracted into the bell 10.
  • the entirety of the contours deviating from the inner radius R11, R12 is referred to as the raceway of the bell 10, whereby the bell 10 has three raceway areas.
  • the raceway area immediately adjacent to the clamping diameter surface 10.2 in the circumferential direction is referred to as the roller guide surface 10.3 and is formed from two abutting partial surfaces with the same radius R13 (Fig.
  • roller guide surface 10.3 is also referred to as a Gothic roller guide surface.
  • the two partial surfaces are connected to one another via a base track rounding radius R14.
  • the double outer radius R10 i.e. the large outer diameter of the bell 10, describes the maximum radial bell dimension.
  • the contour of the bell 10 is set back opposite the radially outward-facing end face of the roller 30, so that a free space 10.6 is formed between the bell 10 and the roller 30, which is also referred to as a pin head recess and serves, among other things, to accommodate lubricant.
  • Fig. 7 and 9 show sections J1 and J3 from Fig. 5 and 6, the right side of a roller guide surface 10.3 on an enlarged scale
  • Fig. 8 and 10 show enlarged sections J2 and J4 from these.
  • the first axis of rotation 2 of the bell 10 is marked by a dash-dotted cross, from which the outer radius R10 and the inner radii R11 and R12 of the bell 10 also originate.
  • the respective rolling circle 10.7 of the inner radii R11 and R12 is shown in Fig. 7 and 9 by a dash-dotted circumferential line.
  • the tangent adjacent to the rolling circle 10.7 forms the axis of symmetry of the roller guide surface 10.3 of the bell 10 and represents the projected bell PCD 10.8.
  • the radial offset s1 between the two radius centers 10.4 and 10.5 is used to adjust the osculation and the contact angle a (Fig. 11, 12) that occurs when the outer ring of the roller 30 comes into contact with the roller guide surface 10.3.
  • the roller guide surface 10.3 is adjoined in the radial direction to the outside by an outer contact geometry, against which the rollers 30 rest at least partially with their radially outer end face.
  • This radially outer contact geometry is described in more detail in a first variant of the track of the bell 10 according to the invention with reference to Fig. 7.
  • the transition from the roller guide surface 10.3 radially outwards to the end-side contact geometry is formed by a narrow flat surface 10.9 with a width s2, into which the roller guide surface 10.3 opens tangentially.
  • the narrow flat surface 10.9 is adjoined by a concavely curved surface 10.10 with a radius R15, which merges into a flat surface 10.11 which is slightly inclined at an angle Y with respect to an orthogonal to the axis of rotation of the respective roller 30, which is many times wider than the above-mentioned narrow flat surface 10.9 and in turn flows into the free space 10.6 via a convexly curved transition surface a 10.12 with a radius R16.
  • a theoretical outer starting point 10.13 of the outer front surface of the roller 30 is located at the transition of the inclined flat surface 10.11 into the convexly curved transition surface a 10.12, which merges into the free space 10.6 directly or, as will be described further below, via a combination of oppositely curved surfaces (Fig. 11).
  • the two Fig. 7 and 9 further show an additional advantageous embodiment of the invention, in which the convexly curved transition surface a 10.12 leading into the free space 10.6 is followed by a combination of oppositely curved surfaces, which is formed by a convexly curved partial surface a 10.14 with a radius R17 and an opposite, i.e. concavely curved transition surface a 10.15 with a radius R18, so that the end of the system geometry passes into the free space 10.6 through a turning point geometry without a step, created by the sequence of a convex and concave radius R17 and R18.
  • transition from the roller guide surface 10.3 to the clamping diameter surface 10.2 of the bell 10, which runs radially inwards, is usually formed by a transition surface b 10.16 that is convexly curved with a radius R19 (Fig. 9).
  • transition surface b 10.16 that is convexly curved with a radius R19 (Fig. 9).
  • the transition from the roller guide surface 10.3 to the clamping diameter surface 10.2 of the bell 10 with the smaller inner radius R12 is divided into three partial surfaces with a radius combination in a variant according to the invention, as can be seen from Fig. 8.
  • a partial surface b 10.17 that is convexly curved with a radius R20, which in turn, via a concavely curved partial surface b 10.18 with a radius R21 into the convexly curved transition surface b 10.16 already known from the prior art.
  • the first two oppositely curved partial surfaces b 10.17 and 10.18 form a relief as auxiliary surfaces and serve to ensure freedom of movement between the roller 30 and the bell 10.
  • the inner starting point 10.19 (Fig. 12) is located on the convexly curved transition surface b 10.16.
  • all three radii are calculated according to the formula
  • the tilting kinematics of the roller 30 changes when the rolling direction changes, which has a positive effect on the periodic NVH excitations of the tripod constant velocity joint, since unfavorable friction conditions are avoided.
  • a second variant according to the invention of the radial outer contact geometry of the track of the bell 10 is described in more detail.
  • a partial surface aa 10.20 with a radius R22 is provided, which is convexly curved and directly adjoins the roller guide surface 10.3 and immediately merges into the surface 10.10 with a radius R15, which in turn merges tangentially into the flat surface 10.11, which is slightly inclined at the angle y with respect to an orthogonal to the axis of rotation of the respective roller 30.
  • the transition from the last-mentioned slightly inclined flat surface 10.11 into the free space 10.6 can then take place via the transition surface a 10.12, which is convexly curved with the radius R16, or in the alternative variant mentioned above via the oppositely curved surface combination 10.14, 10.15 into the free space 10.6.
  • the two consecutive oppositely curved partial or transition surfaces aa 10.20 and 10.10 thus form a turning point, similar to the previously mentioned alternative design of the transition into the free space 10.6, so that the roller guide surface 10.3 can transition tangentially continuously, i.e. without a step, into the slightly inclined flat surface 10.11.
  • Fig. 11 and 12 show the same section of the bell 10 as in the first variant of Fig. 7 and the second variant of Fig. 9, but now each with a section of a roller 30, without this being described in more detail here, with the position of the roller 30 in the unloaded state, i.e. without an applied torque, being shown centered in the track of the bell 10.
  • the smallest radial distance, related to the axis of rotation of a roller 30, between the contact geometry of the bell 10 and the circumferential surface of the outer ring 30.2 of the roller 30 is the radial track clearance öi/2, which largely determines the maximum tilting and pitching movement of the roller 30.
  • Under load i.e. when a torque is applied to the first and/or second shaft 4, a frictional movement occurs within the starting geometry of the bell 10 in the area of the transition from the inclined flat surface
  • the outer starting point 10.13 is not necessarily in the cutting plane shown in section J6, but can move in the plane of its front face depending on the pitching movement of the rollers 30.
  • the distance between the outer starting points 10.13 per raceway is a target value of 0.29 times the maximum diameter of the outer ring 30.2 of the roller 30. Depending on the roller class, this value can deviate by +/-1.5%.
  • the smallest axial distance between the contact geometry of the bell 10 and the front surface of the outer ring 30.2 of the roller 30 is the frontal or axial raceway clearance ⁇ 2.
  • the two smallest distances between roller 30 and roller guide surface 10.3 are offset by the contact angle a.
  • the contact angle a With a selected contact angle a of 21 °, the best compromise between strength, longitudinal guidance, service life and NVH behavior is achieved. If the contact angle a is too large, the contact ellipse migrates beyond the roller edge, i.e. the transition from the running surface to the front surface of the roller 30, more precisely in the transition from its spherical main transmission surface 30.5 to the inclined flat surface 30.7 or first flat partial surface 30.7a (Fig. 14 - 17), which leads to edge wear and, as a result, to undesirable NVH behavior.
  • the two additional, oppositely curved partial surfaces b 10.17 and 10.18 cause a displacement of the convexly curved transition surface b 10.16 in the direction of the first axis of rotation 2 of the tripod constant velocity joint, i.e. the axis of rotation of the bell 10, whereby its inner radius R12 is reduced in comparison to the first variant.
  • raceway clearance ⁇ 3 between the convexly curved transition surface b 10.16 and the inward-facing part of the running surface of the outer ring 30.2 of the roller 30, whereby the roller 30, when bent, touches the raceway of the bell 10 in this distance range, so that a second, namely an inner starting point 10.19 is created.
  • the target value for the smallest raceway clearance ⁇ 3 at the inner contact point 10.19 is 0.8 * ⁇ 2 in the present example.
  • osculation reciprocal value is the quotient of the radius R13 of the roller guide surface 10.3 and the inner radius R31 of the inner ring of the Roller 30 (R13/R31 ) is calculated.
  • an osculation reciprocal of 1 .14 was selected. This means that the contact surface is sufficiently large and at the same time the requirements for the manufacturing accuracy of the raceway of the bell 10 are more moderate than with an osculation reciprocal closer to 1 .
  • a second component of the tripod constant velocity joint 1 is the inner joint part shown in Fig. 13, also called the tripod star 20. It consists of a cylindrical star hub 20.1 with an inner bore, which is provided with an internal toothing 20.2 for the rotationally fixed reception of the second shaft 4.
  • Three pins 20.3 extend radially outwards from the outer casing of the star hub 20.1 at equal angular intervals of 120°, with each pin 20.3 having a pin head 20.4, which merges into the star hub 20.1 via a pin neck 20.5 that is reduced compared to the diameter of the pin head 20.4.
  • the shape of the pin head 20.4 corresponds to that of a spherical segment.
  • a transition contour is provided at each transition from the tenon neck 20.5 to the tenon head 20.4 and to the star hub 20.1, whereby the radius of the transition contour to the star hub 20.1 is 2-3 times larger than the radius of the transition contour to the tenon head 20.4. This contributes to optimizing the stress in this transition area while ensuring a maximum bending angle of 26°.
  • a third component of the tripod sliding joint 1 are the rollers 30, which essentially represent the link for the transmission of the torque between the bell 10 and the tripod star 20. From the inventive features of the bell 10 described above, it is easy to conclude that the inventive features of the rollers 30 essentially relate to their track, which is in contact with the roller guide surface 10.2 of the bell 10 in the operating state.
  • the roller consists of an inner ring 30.1 with an inner diameter D31 and an outer ring 30.2 with an outer diameter D32.
  • the inner ring 30.1 receives the pin head 20.4 of the tripod star 20 with its inner diameter D31 and is rotatably mounted in the outer ring 30.2 via needles 30.3 evenly distributed over its outer circumference.
  • a spring ring 30.4 is arranged on both sides of the end faces of the needles 30.3 and the inner ring 30.1, which allows an axial movement between the inner and outer rings 30.1, 30.2, whereby the predominant translational movement occurs between the inner ring 30.1 and the torque-transmitting surface 20.6 of the journal heads 20.4.
  • the raceway of the outer ring 30.2 consists of a spherical main transmission surface 30.5 and auxiliary surfaces symmetrically adjacent on both sides in the axial direction, which merge into the respective end face 30.6 of the outer ring 30.2.
  • the inclined flat surface 30.7 comes into contact with the starting geometry of the bell 10. In order to optimize this contact, as can be seen from Figs.
  • the sharp-edged transitions from the main transmission surface 30.5 to the inclined flat surface 30.7 are each provided with a radius contour, which in the present example is formed from a first transition radius R33a and a second transition radius R33b immediately adjacent to this, and from the inclined flat surface 30.7 to the respective end face 30.6 with a further radius contour, which is formed from a first transition radius R34a and a second transition radius R34b immediately adjacent to this.
  • the first transition radius R33a from the spherical main transfer surface 30.5 to the inclined flat surface 30.7 is the largest radius at > 1.5 mm, while both the first transition radius R34a from the inclined flat surface 30.7 to the second transition radius R34b and the two second transition radii R33b and R34b are significantly smaller at ⁇ 0.1 mm. This results in lower friction behavior under bending, which has a positive effect in terms of reducing the axial force excitation.
  • a first variant is shown, which was created by further optimizing the transitions from the spherical main transfer surface 30.5 to the end surfaces 30.6.
  • the inclined flat surface 30.7 is divided into two flat partial surfaces 30.7a and 30.7b in such a way that the flat partial surface 30.7b merging into the respective end surface 30.6 forms a smaller angle E 1 to the Front surface 30.6, in the present example of 20°.
  • transitions from the spherical main transfer surface 30.5 into the first flat partial surface 30.7a and from the second flat partial surface 30.7b into the respective front surface 30.6 are each rounded with a transition radius R33 or R34, since this area has been identified as the main cause of undesirable NVH excitations in the contact of the rollers 30 with the bell 10.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Gelenkaußenteil für ein Verschiebegelenk vom Typ einer Tripode und einem Verschiebegelenk vom Typ einer Tripode. Die radiale äußere Anlagegeometrie des Gelenkaußenteils (Glocke 10) wird von einer in einem Winkel (y) gegenüber einer Orthogonalen zur Drehachse des jeweiligen Rollers (30) leicht geneigten ebenen Fläche (10.11 ) und einer sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers (30) erstreckenden, mit einem Radius (R16) konvex gekrümmten Übergangsfläche a (10.12) gebildet, und die gegenüberliegende Seite der geneigten ebenen Fläche (10.11 ) geht über eine mit einem Radius (R15) konkav gekrümmte Fläche (10.10) in die Rollenführungsfläche (10.3) über. Der Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche (30.5) zu der äußeren und inneren Stirnfläche (30.6) der Roller (30) ist durch eine ebene Fläche (30.7) gebildet und an dem jeweiligen Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche (30.5) zu der ebenen Fläche (30.7) ist jeweils mindestens ein Übergangsradius (R33a, R33b) sowie von der ebenen Fläche (30.7) in die äußere und innere Stirnfläche (30.6) jeweils mindestens ein Übergangsradius (R34a, R34b) vorgesehen.

Description

Gelenkaußenteil für ein Verschiebeqelenk vom Typ einer Tripode und Verschiebeqelenk vom Typ einer Tripode
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gelenkaußenteil für ein Verschiebegelenk vom Typ einer Tripode nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einem Verschiebegelenk vom Typ eines Tripode-Gleichlaufgelenks nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 11 .
Verschiebegelenke vom Typ eines Tripode-Gleichlaufgelenks werden insbesondere in Antriebssträngen von Fahrzeugen zur Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei Wellen eingesetzt, die im Betriebszustand sowohl eine axiale Verschiebung als auch Beugung zueinander ausführen. Die Hauptbestandteile solcher Verschiebegelenke sind ein Gelenkaußenteil in Form einer Glocke, in dem ein Gelenkinnenteil in Form eines Triopodesterns über Roller axial verschiebbar und beugbar angeordnet ist. Solche Verschiebegelenke sind seit langem bekannt und beispielsweise in der DE 10 2013 106 868 B3 ausführlich beschrieben. Aufgrund des Zusammenwirkens aller drei Komponenten ist es naheliegend, dass sowohl jede einzelne Komponente für sich als auch ihr Zusammenwirken einen Einfluss auf die Funktionseigenschaften des Verschiebegelenks ausüben, wobei wesentliche Eigenschaften solcher Gelenke ihr Wirkungsgrad, ihr Geräuschpegel, ihr Vibrationsverhalten sowie ihre psychoakustische Rauigkeit, ein Maß für die sog. „Brummigkeit“ eines Geräusches, darstellen. Die drei letztgenannten Eigenschaften sind in dem NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) zusammengefasst. Eine fünfte, ebenfalls durch konstruktive Gegebenheiten der agierenden Komponenten zu beeinflussende Eigenschaft ist die Wirksamkeit der Schmierung des Verschiebegelenks. Wie bei allen im Betriebszustand unter Last miteinander agierenden Bauteilen ist eine entscheidende konstruktive Größe das Spiel zwischen den agierenden Bauteilen, das wiederum insbesondere das NVH-Verhalten beeinflusst. Dies betrifft sowohl die Kontaktstellen zwischen den Rollenbahnen der Glocke, auch als Führungsnuten bezeichnet, und dem Außenring der Roller als auch die Kontaktstellen zwischen den Außenbahnen der Tripodenzapfen und dem Innenring der Roller. Die an diesen Kontaktstellen auftretende Reibung führt zu periodisch wechselnden Reibungszahlen, die zusammen mit der kinematisch aufgezwungenen Taumelbewegung des Tripodesterns und der Rollerbewegung in einer Axialkraftanregung münden, die hauptsächlich der dritten Ordnung entspricht.
Bekannt ist ein Gleichlaufdrehgelenk vom Typ einer Tripode, das sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine lange Lebensdauer aufweist und den Rollwiderstand bei der Übertragung von Drehmomenten in einem Gelenkwinkel minimieren kann. Es besteht aus einem Gehäuse, das an einer ersten Welle befestigt ist, und einem Tripodestern mit Zapfenachsen, die in gleichem Winkelabstand zu einer zweiten Welle angeordnet sind. Der Querschnitt senkrecht zur Achse des Zapfens ist ellipsenförmig, wobei der kleinere Durchmesser parallel zur zweiten Welle verläuft. Die in dem Gehäuse geführten Roller können um einen Winkel ß von der Führungsspur des Gehäuses abkippen (US 6,533,668 B2). Der Nachteil derartiger Gelenkaußenteile besteht darin, dass es bei Kipp- und Nickbewegungen des Rollers dieser an unterschiedlichen Kontaktpunkten zum Anschlag kommt.
Bekannt ist ferner ein Gleichlaufdrehgelenk vom Typ einer Tripode mit einem Gelenkaußenteil, das drei in gleichen Winkelabständen zueinander umfangsverteilte, axial verlaufende, achsparallel gerichtete Führungsnuten aufweist. Die Führungsnuten weisen jeweils zwei gegenüberliegend zugeordnete Führungsbahnen auf, die eine Anlagegeometrie aufweisen. Das Gleichlaufdrehgelenk weist ferner ein Gelenkinnenteil auf, das mit den Führungsbahnen des Gelenkaußenteils korrespondierende, bezogen auf die Längsachse des Gleichlaufdrehgelenks radial nach außen gerichtete Zapfen aufweist, deren freies Ende jeweils als ein kugeliger Zapfenkopf ausgebildet ist. Auf diesen Zapfenköpfen sind Roller drehbar gelagert und in den Führungsnuten des Ge- lenkaußenteils axial verschiebbar. An der in radialer Richtung außen liegenden Begrenzungsfläche der Führungsbahnen ist im Übergang von einem zwischen der Führungsnut und der äußeren Stirnfläche jedes Rollers vorhandenen Freiraum in die jeweilige Führungsbahn des Gelenkaußenteils eine Anschlagfläche vorgesehen, die von einer mehrfach in abwechselnder Richtung gekrümmten Übergangsfläche gebildet ist. Der Anschlag der Roller erfolgt an einem nach innen, in Richtung der Drehachse des Gleichlaufdrehgelenks hervorspringenden konvex gekrümmten Teil dieser Fläche, an die sich beidseitig jeweils unmittelbar eine konkav gekrümmte Fläche als Übergang einenends in den Freiraum und anderenends in die Führungsbahn des Gelenkaußenteils anschließt (DE 43 05 278 C1 ). Der Nachteil dieses Gelenkaußenteils besteht darin, dass sein Design im Bereich der Führungsbahnen eine höhere Wandstärke erfordert. Außerdem erschwert dies Härtung bestimmter Zonen. In der Folge ist mit starken Härteschwankungen im Übergang zwischen Laufbahn und Anlaufkontur zu rechnen.
Schließlich ist ein Tripode-Universalgelenk mit einem Gelenkaußenteil bekannt, das drei längliche Führungskanäle mit jeweils zwei gegenüberliegenden konkav geformten Seitenflächen aufweist, die ein parabolisches Profil besitzen, einem Gelenkinnenteil mit drei Zapfen, die außen zur Aufnahme einer Roller-Anordnung eine semi-sphärische Oberfläche aufweisen. Die parabolisch geformten Seitenflächen des Gelenkaußenteils weisen einen radial äußeren Teil mit einem kleineren Krümmungsradius als ein radial innerer Teil der parabolisch geformten Seitenflächen auf. Außerdem ist der Radius des inneren Teils gleich oder größer als der maximale Radius des Außenringes der Roller. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lauffläche des äußeren Balls nicht gegen den inneren Teil der parabolischen Seitenfläche auf der unbelasteten Seite stößt. Dadurch wird das „Stottern“ des Gelenks, das durch das Kippen der Roller um eine Y-Achse, die sich in Längsrichtung des äußeren Antriebselements erstreckt, hervorgerufen wird, reduziert (US 2003/0232655 A1 ). Der Nachteil dieses Gelenkaußenteils besteht darin, dass es auf kleinere Beugewinkel eingeschränkt ist. Außerdem verringert sich je nach Beugewinkel der axiale Abstand zwischen den möglichen Kontaktpunkten, was dem Roller mehrere Möglichkeiten zum „Nicken“ erlaubt. Dadurch verringert sich die Selbstzentrierung der Roller, was in der Folge zu einer stärkeren NVH- Anregung führt. Bekannt sind auch Roller, bei denen sowohl der Außenring als auch der Innenring eine Anlagefunktion übernimmt, wobei der Außenring eine der Rollenführungsfläche der Glocke angepasste sphärische Mantelfläche aufweist, die vollständig an der Rollenführungsfläche der Glocke anliegt, während der Innenring mit seiner äußeren Stirnfläche an der Glocke anliegt (DE 44 39 965 A1 , DE 43 05 278 C1 und DE 43 27 606 C2). Bei der DE 43 05 278 C1 ist an dem der Drehachse des Tripodegelenks zugewandten Übergangsbereich von der sphärischen Hauptübertragungsfläche zur inneren Stirnfläche eine Schrägung vorgesehen, durch die eine größerer Beugewinkel des Gelenks erreicht wird.
Bekannt ist ferner ein Gleichlaufuniversalgelenk vom Typ einer Tripode mit einer Rolleranordnung. Eine äußere Umfangsfläche eines Außenrollers der Rolleranordnung weist eine nach außen und eine nach innen gerichtete Seitenfläche auf, die asymmetrisch zu einer senkrecht zu der Drehachse des Rollers und durch seine Mittellinie verlaufende Ebene angeordnet ist. Eine Rollerführungsfläche einer Führungsnut umfasst eine nach außen gerichtete Führungsfläche zum Führen der nach außen gerichteten Seitenfläche und eine nach innen gerichtete Führungsfläche zum Führen der nach innen gerichteten Seitenfläche auf. Entweder die äußere Führungsfläche oder die innere Führungsfläche ist als konkav gekrümmte Fläche ausgebildet, die einen Linienkontakt mit einer äußeren rollenseitigen konvexen Krümmungsfläche bildet, und die andere Führungsfläche ist als konvex gekrümmte Fläche ausgebildet, die einen Linienkontakt mit einer äußeren rollenseitigen konischen Fläche bildet. Erkennbar ist sowohl eine Anlagegeometrie, die durch Radien gebildet ist und auch über einen Radius in den Freiraum zwischen der Glocke und der äußeren Stirnfläche der Roller übergeht, als auch eine Anlagegeometrie, die durch flächige Bereiche gebildet ist und ohne Radien in den genannten Freiraum zwischen der Glocke und der äußeren Stirnfläche der Roller übergeht (WO 2019/059204 A1 ).
Zusammenfassend besteht der Nachteil dieser Baugruppen der Verschiebegelenke darin, dass sie sowohl als einzelne Baugruppe als auch im Zusammenwirken in dem Verschiebegelenk zu einer erhöhten Axialkraftgenerierung dritter Ordnung und in der Folge in NVH-Auffälligkeiten, insbesondere bei hohen Drehmomenten und Beugung, beitragen. Bei einer der bekannten technischen Lösungen ist nur ein kleiner Beugewinkel möglich, was wiederum die Anwendung des Verschiebegelenks einschränkt. Eine anderweitige technische Lösung erfordert in bestimmten Bereichen der Kontaktfläche mit den Rollern eine erhöhte Wandstärke, was wiederum fertigungstechnisch Probleme mit sich bringt und auch das Gewicht des Gelenkaußenteils erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Gelenkaußenteile von Verschiebegelenken vom Typ einer Tripode so zu optimieren, dass sie eine möglichst geringe selbstinduzierte Axialkraft generieren und bei einem verbesserten Wirkungsgrad insbesondere im Zusammenwirken mit den Rollern minimale NVH-Emissionen generieren. Außerdem soll ihre Herstellung durch Vermeidung komplizierter und masseintensiver Laufbahnkonturen auf einfache Weise möglich sein. Zudem sollen die Gelenkaußenteile auch bei großen Beugewinkeln einsetzbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Der wesentliche Beitrag des Gelenkaußenteils des Verschiebegelenks, nachfolgend als Glocke bezeichnet, zur Verbesserung des Wirkungsgrades sowie der Minimierung der NVH-Emissionen des Verschiebegelenks besteht in einer modifizierten radialen äußeren Anlagegeometrie für die Roller des Verschiebegelenks in den Führungsnuten der Glocke. Unter Anlagengeometrie ist hier der Bereich in den Führungsnuten der Glocke zu verstehen, an dem die Roller mit dem Übergangsbereich von ihrer sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche, d. h. ihrer radialen Umfangsfläche, zu ihrer nach außen gerichteten Stirnfläche anliegen. Der Bereich der Führungsnuten, an dem die Roller mit ihrer radialen Umfangsfläche zumindest teilweise anliegen, wird als Rollenführungsfläche bezeichnet.
Im Rahmen eines am Verschiebegelenk durchgeführten umfangreichen Optimierungsprogramms wurde herausgefunden, dass die radiale äußere Anlagegeometrie der Glocke erfindungsgemäß von einer ebenen Fläche, die gegenüber einer Orthogonalen zur Drehachse des jeweiligen Rollers in einem Winkel y leicht geneigt ist, und einer sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers anschließenden konvex gekrümm- ten Fläche gebildet wird, die in eine Ausnehmung zwischen der Stirnfläche des jeweiligen Rollers übergeht. Die gegenüberliegende Seite der geneigten ebenen Fläche geht über eine konkav gekrümmte Fläche in die Rollenführungsfläche über. Dadurch wird bei gleichem Außendurchmesser eine Steigerung des zu übertragenden Drehmomentes sowie eine wesentliche Verbesserung des NVH-Verhaltens erzielt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Winkel y ca. 1 ° bis 3°. Hierdurch kommt es zur Ausbildung eines verengenden Spalts in Richtung des Anlaufpunktes des Rollers, also quasi zu einer Punktanlage, was die Schmierung und in der Folge das NVH-Verhalten verbessert. Außerdem kann dadurch der Radius der in die Rollenführungsfläche überleitenden konkav gekrümmten Fläche größer als 2,5 mm gewählt werden, wodurch sich die Standzeit des Schmiedewerkzeugs zur Herstellung der Glocke erhöht.
In einer anderweitigen Ausgestaltung der Erfindung beträgt der horizontale Abstand der äußeren Anlaufpunkte der Roller an der erfindungsgemäßen Anlagegeometrie zur laufbahnhalbierenden Symmetrieachse der Glocke pro Laufbahn das 0,29-fache des Durchmessers des Außenrings des Rollers. Je nach Rollenklasse kann dieser Wert um +/- 1 ,5 % abweichen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der konkav gekrümmten Fläche und der Rollenführungsfläche eine schmale ebene Fläche angeordnet. Das gewährleistet im Übergangsbereich dieser Flächen eine Tangentenstetigkeit, wodurch Kerbbeanspruchungen in den Übergängen zu der konkav gekrümmten Fläche und der Rollenführungsfläche vermindert und somit eine Maximierung der Übertragungsfähigkeit des Bauteils erreicht werden.
Eine weitere Gestaltung des Übergangsbereichs mit dem gleichen Ziel wie oben genannt kann darin bestehen, anstelle der schmalen ebenen Fläche zwischen der konkav gekrümmten Fläche und der Rollenführungsfläche eine schmale konvex gekrümmte Fläche vorzusehen, so dass in dem Flächenverlauf zwischen der Anlagegeometrie und der Rollenführungsfläche ein Art Wendepunkt entsteht. Nach einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers erstreckende konvex gekrümmte Fläche in zwei gekrümmte Teilflächen aufgeteilt, und der Übergang in die Ausnehmung (oder: den Freiraum) wird durch eine zusätzliche Teilfläche mit einer konkaven Krümmung gebildet, so dass die konvex gekrümmte Teilfläche ohne einen Absatz in den Freiraum übergeht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die in radialer Richtung nach innen in die Spanndurchmesserfläche übergehende konvex gekrümmte Fläche in drei Teilflächen aufgeteilt, wobei zwischen den beiden konvex gekrümmten Teilflächen eine konkav gekrümmte Teilfläche angeordnet ist. Bei dieser Variante der Glocke reduziert sich ihr Spanndurchmesser, so dass der Roller unter Beugung, d. h. unter Last, auch den radial nach innen gerichteten Übergang der Rollenführungsfläche in die Spanndurchmesserfläche berührt, wodurch ein zweiter Anlaufpunkt für den Roller entsteht. Dadurch wird eine sekundäre Anlaufgeometrie pro Laufbahnhälfte geschaffen, wobei die beiden ersten Teilflächen, also die erste konvexe und die sich an diese anschließende konkave Teilfläche, als Hilfsflächen zur Gewährleistung einer Freigängigkeit dienen. Durch die zusätzliche(n) Anlauffläche(n) verändert sich die Kippkinematik der Roller bei Änderung der Rollrichtung, wodurch ungünstige Reibungszustände vermieden werden, was sich wiederum positiv auf die periodische NHV- Anregung der Tripode auswirkt.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung berechnen sich die Radien der drei gekrümmten Teilflächen nach der Formel
R 19 = R 20 = R 21 = (2 * Glocken-PCD)/ 51 , wobei der Glocken-PCD (PCD = pitch circle diameter) der Teilkreisdurchmesser der Glocke in der Mitte ihrer Rollenführungsfläche ist. Dies begründet sich durch den Mindestradius beim Schmiedewerkzeug der Glocke.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Gelenkaußenteil gemäß einem Roller mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 durch eine Modifizierung der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche des Außenrings der auf den Zapfenköpfen des Tripodesterns winkelbeweglich angeordneten Roller gelöst.
Erfindungsgemäß wird bei den in einem Gelenkaußenteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 1 in Kombination mit einem der Merkmale der Ansprüche 2 bis 8 montierten Rollern der Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche zu der äußeren und inneren Stirnfläche durch eine kurze ebene Fläche gebildet. Außerdem ist an dem jeweiligen Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche zu der kurzen ebenen Fläche sowie von der ebenen Fläche in die äußere und innere Stirnfläche jeweils ein Übergangsradius vorgesehen. Unter Beugung kommen die Übergangsbereich zwischen der kurzen ebenen Fläche und der äußeren Stirnfläche in Kontakt mit der Anlaufgeometrie der Glocke. Durch die erfindungsgemäße Modifizierung dieser Übergangsbereiche wird im Belastungsfall unter Beugung ein geringeres Reibungsverhalten erreicht, was sich positiv auf die Axialkraftanregung auswirkt. Vorteilhaft ist ferner, dass durch die zweite Fase des Rollers die Gefahr seines Anlaufens in den konkaven Übergangsradius zwischen Laufbahn und Übergangsfläche sinkt und die eigentliche Lauffläche im Vergleich zu einem Einzelfasendesign unverändert bleibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Roller sind die Übergangsradien von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche zu der kurzen ebenen Fläche größer als 1 ,5 mm und/oder die Übergangsradien von der ebenen Fläche in die äußere und innere Stirnfläche kleiner als 0,1 mm.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Roller ist die kurze ebene Fläche in zwei Teilflächen aufgeteilt, wobei die in axialer Richtung gesehen zweite Teilfläche über einen Radius in die jeweilige Stirnfläche des Rollers übergeht. Durch aufwändige Untersuchungen zum NHV-Verhalten von Verschiebegelenken vom Typ einer Tripode wurde dieser Übergang in die jeweilige Stirnfläche als Hauptursache für unerwünschte NHV-Anregungen identifiziert. Und so wurde insbesondere durch die Verrundung dieser Übergänge eine zusätzliche Verringerung der Reibungsanregung erreicht. Einen zusätzlichen Einfluss auf die Verringerung der Reibungsanregung hat auch die Neigung der beiden kurzen ebenen Teilflächen. So hat es sich im Rahmen der Versuche herausgestellt, dass die sich unmittelbar an die sphärische Hauptkraftübertragungsfläche anschließende erste Teilfläche um 35° und die sich an Letztere anschließende zweite Teilfläche um 20° gegenüber der jeweiligen Stirnfläche geneigt ist.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung berechnen sich das Laufbahnspiel öi zwischen der Rollenführungsfläche der Glocke und dem Außenring des Rollers sowie das stirnseitige oder auch axiale Laufbahnspiel Ö2 zwischen der Anlagefläche der Glocke im Bereich ihrer radialen äußeren Anlagegeometrie, d. h. also auch nahe der geneigten Fläche im Anlaufpunkt 1 , und der äußeren Stirnfläche des Rollers im unbelasteten Zustand nach der Formel öi = Ö2 = tan(0,46°) * s3, wobei s3 der horizontale Abstand der äußeren Anlaufpunkte (AP1 ) zur laufbahnhalbierenden Symmetrieachse ist. Dieses rein rechnerische Spiel ist ein theoretisches Spiel, das sich im unbelasteten Zustand des Verschiebegelenks einstellt.
Bei dieser Variante der Glocke beträgt das Laufbahnspiel zwischen ihrer Anlagefläche im Bereich der sich radial nach innen an die Rollenführungsflächen anschließenden ersten und zweiten Teilflächen, also im Bereich des zweiten Anlaufpunktes, und dem Außenring des Rollers im unbelasteten Zustand maximal 0,8 mal dem radialen Laufbahnspiel.
Eine bevorzugte Kombination der beiden Bestandteile des Verschiebegelenks besteht darin,
- dass die Glocke die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist, wobei der Winkel y 2° beträgt, der horizontale Abstand der äußeren Anlaufpunkte der Roller an der erfindungsgemäßen Anlagegeometrie zur laufbahnhalbierenden Symmetrieachse der Glocke pro Laufbahn das 0,29-fache des Durchmessers des Außenrings des Rollers beträgt, zwischen der konkav gekrümmten Fläche und der Rollenführungsfläche eine schmale ebene Fläche angeordnet ist, die sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers erstreckende konvex gekrümmte Fläche in zwei gekrümmte Teilflächen aufgeteilt, und der Übergang in die Ausnehmung (oder: den Freiraum) durch eine zusätzliche Teilfläche mit einer konkaven Krümmung gebildet wird, so dass die konvex gekrümmte Teilfläche ohne einen Absatz in den Freiraum übergeht, und
- dass der Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche zu der äußeren und inneren Stirnfläche des Rolles durch eine ebene Fläche gebildet ist und an dem jeweiligen Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche zu der ebenen Fläche jeweils ein erster Übergangsradius sowie von der jeweiligen ebenen Fläche in die äußere bzw. inneren Stirnfläche jeweils ein zweiter Übergangsradius vorgesehen ist, wobei durch Aufteilung der ebenen Fläche in zwei Teilflächen eine Doppelschräge entsteht, der Winkel der jeweils an die Stirnfläche angrenzenden ebenen Teilfläche zur Stirnfläche 20° und der zweite Übergangsradius von der letztgenannten Teilfläche in die jeweilige Stirnfläche R = 1 mm beträgt.
Das erfindungsgemäße Gelenkaußenteils des Verschiebegelenks vom Typ einer Tripode ist sowohl als eigenständige Baugruppe als auch in Kombination mit den erfindungsgemäßen Rollern für alle Verschiebegelenkanwendungen an Fahrzeugen geeignet. Es ordnet sich in die Kategorie der Tripoden mit einem Winkelausgleich der Roller ein, d. h. Roller und Tripodesternachse müssen nicht zwangsläufig im Winkel von 90° zueinander stehen. Stattdessen werden die Roller idealisiert nur in ihrer Laufbahn geführt und bauen keinen Schrägungswinkel zu dieser auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmbar.
Zeichnung
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine räumliche Explosiv-Darstellung der Hauptbestandteile eines Verschiebegelenks vom Typ eines Tripode-Gleichlaufgelenks,
Fig. 2 eine Vorderansicht des Verschiebegelenks aus Fig. 1 im montierten Zustand mit gegenüber dem Gelenkaußenteil gebeugtem Gelenkinnenteil,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein montiertes Gelenk senkrecht zur Drehachse des Gelenkinnenteils in einer ersten Variante,
Fig. 4 einen Schnitt durch ein montiertes Gelenk senkrecht zur Drehachse des Gelenkinnenteils in einer zweiten Variante,
Fig. 5 einen Schnitt durch das Gelenkaußenteil senkrecht zu dessen Drehachse einer ersten Variante des Übergangs von der Rollenführungsfläche zu einem ersten Anlaufpunkt,
Fig. 6 einen Schnitt durch das Gelenkaußenteil senkrecht zu dessen Drehachse einer zweiten Variante des Übergangs von der Rollenführungsfläche zu dem ersten Anlaufpunkt,
Fig. 7 einen Ausschnitt J1 aus Fig. 5,
Fig. 8 das Detail J2 aus Fig. 7,
Fig. 9 einen Ausschnitt J3 aus Fig. 6,
Fig. 10 das Detail J4 aus Fig. 9,
Fig. 11 einen Ausschnitt J5 der ersten Variante aus Fig. 5 mit einem Roller,
Fig. 12 einen Ausschnitt J6 einer Kombination der beiden Varianten aus Fig. 7 und 9 mit einem Roller,
Fig. 13 eine isometrische Darstellung eines Gelenkinnenteils,
Fig. 14 eine Axialschnittdarstellung einer ersten Variante eines Rollers,
Fig. 15 einen Ausschnitt L1 mit vergrößerter Darstellung der Anlagegeometrie des Rollers aus Fig. 14,
Fig. 16 eine Axialschnittdarstellung einer zweiten Variante eines Rollers,
Fig. 17 einen Ausschnitt L2 mit vergrößerter Darstellung der Anlagegeometrie der zweiten Variante des Rollers aus Fig. 16.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine räumliche Explosiv-Darstellung und Fig. 2 eine Vorderansicht eines Verschiebegelenks vom Typ eines Tripode-Gleichlaufgelenks 1 mit seinen Hauptbestandteilen, nämlich - einem Gelenkaußenteil in Form einer um eine erste Drehachse 2 rotierenden und mit einer hier nicht dargestellten ersten Welle drehtest verbindbaren zylindrischen Glocke 10,
- einem Gelenkinnenteil in Form eines um eine zweite Drehachse 3 rotierenden und mit einer Welle 4 drehtest verbindbaren Tripodesterns 20
- und Rollern 30, wobei das Gelenkinnenteil, also der Tripodestern 20, in dem Gelenkaußenteil, also der Glocke 10, über die Roller 30 axial verschiebbar und mit seiner zweiten Drehachse 3 gegenüber der ersten Drehachse 2 der Glocke 10 winkelbeweglich angeordnet ist. Die nicht dargestellte erste Welle kann über einen Ansatz 10.1 mit der Glocke 10 drehtest, beispielsweise durch Schweißen, verbunden werden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Schnitt durch ein montiertes Verschiebegelenk senkrecht zur Drehachse des Gelenkinnenteils ohne Beugung, also bei fluchtender erster und zweiter Drehachse 2, 3, und die Fig. 5 und 6 jeweils einen Schnitt durch die Glocke 10 als Einzelteil, wobei die Fig. 3 und 5 jeweils eine erste Variante bezüglich der Rollenführung in der Glocke 10 in radialer Richtung nach außen und die Fig. 4 und 6 jeweils eine zweite Variante dieses Bereiches darstellen.
Wie aus den Fig. 5 und 6 erkennbar, weist die Glocke 10 einen Außenradius R10 und einen Innenradius R11 für die erste Variante bzw. R12 für eine später noch zu beschreibende zweite Variante bezüglich der Rollenführung in der Glocke 10 in radialer Richtung nach innen auf, wobei die Innenradien R11 , R12 auch als Spannradien der Glocke 10 und der Innenumfang als Spanndurchmesserfläche 10.2 bezeichnet wird und der Innenradius R11 der ersten Variante (Fig. 6) größer ist als der Innenradius R12 der zweiten Variante (Fig. 5). Durch den Innen- oder Spannradius R11 , R12 ist im eingefahrenen Zustand des Tripodesterns 20 in die Glocke 10 maßgeblich der zwischen der ersten Welle der Glocke 10 und der zweiten Welle 4 des Tripodesterns 20 erreichbare Beugewinkel ß (nicht dargestellt) bestimmt. Die Gesamtheit der vom Innenradius R11 , R12 abweichenden Konturen wird als Laufbahn der Glocke 10 bezeichnet, wobei die Glocke 10 über drei Laufbahnbereiche verfügt. Der sich in Umfangsrichtung unmittelbar an die Spanndurchmesserfläche 10.2 anschließende Laufbahnbereich wird als Rollenführungsfläche 10.3 bezeichnet und ist aus zwei aneinanderstoßenden Teilflächen mit gleichem Radius R13 gebildet (Fig. 7 und 9), die ihren Ursprung jeweils in einem ersten Radienmittelpunkt 10.4 und einem zweiten Radienmittelpunkt 10.5 haben, wobei die beiden Radienmittelpunkte 10.4 und 10.5 um einen radialen Offset zur Symmetrieachse versetzt sind, d. h. einen radialen Versatz s1 zueinander aufweisen. Diese Rollenführungsfläche 10.3 wird auch als gotische Rollenführungsfläche bezeichnet. Im Bereich ihres Zusammenstoßens sind die beiden Teilflächen über einen Bahngrundverrundungsradius R14 miteinander verbunden. Der doppelte Außenradius R10, also der große Außendurchmesser der Glocke 10, beschreibt das maximale radiale Glockenmaß. Jeweils der radial nach außen gerichteten Stirnfläche der Roller 30 gegenüberliegend ist die Kontur der Glocke 10 zurückgesetzt, so dass sich zwischen der Glocke 10 und dem Roller 30 ein Freiraum 10.6 herausbildet, der auch als Zapfenkopfaussparung bezeichnet wird und u. a. der Aufnahme von Schmiermittel dient.
Die Fig. 7 und 9 zeigen als Ausschnitt J1 und J3 aus den Fig. 5 und 6 jeweils die rechte Seite einer Rollenführungsfläche 10.3 im vergrößerten Maßstab und die Fig. 8 und 10 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt J2 und J4 aus diesen. In den Fig. 5 und 6 ist die erste Drehachse 2 der Glocke 10 durch ein strich-punktiertes Kreuz gekennzeichnet, von dem aus auch der Außenradius R10 sowie die Innenradien R11 und R12 der Glocke 10 ausgehen. Der jeweilige Rollkreis 10.7 der Innenradien R11 und R12 ist in den Fig. 7 und 9 durch eine strich-punktierte Umfangslinie dargestellt. Die an dem Rollkreis 10.7 anliegende Tangente bildet die Symmetrieachse der Rollenführungsfläche 10.3 der Glocke 10 und stellt den projizierten Glocken-PCD 10.8 dar. Über den radialen Versatz s1 zwischen den beiden Radienmittelpunkten 10.4 und 10.5 werden die beim Kontakt des Außenringes der Roller 30 mit der Rollenführungsfläche 10.3 auftretende Schmiegung und der Kontaktwinkel a (Fig. 11 , 12) eingestellt.
An die Rollenführungsfläche 10.3 schließt sich in radialer Richtung nach außen eine äußere Anlagegeometrie, an der die Roller 30 mit ihrer radial äußeren Stirnfläche zumindest teilweise anliegen, an. Diese radiale äußere Anlagegeometrie wird in einer erfindungsgemäßen ersten Variante der Laufbahn der Glocke 10 anhand der Fig. 7 näher beschrieben. Wie aus Fig. 7 erkennbar, wird der Übergang von der Rollenführungsfläche 10.3 radial nach außen zu der stirnseitigen Anlagengeometrie durch eine schmale ebene Fläche 10.9 mit einer Breite s2 gebildet, in die die Rollenführungsfläche 10.3 tangential einmündet. An die schmale ebene Fläche 10.9 schließt sich eine konkav gekrümmte Fläche 10.10 mit einem Radius R15 an, die in eine in einem Winkel Y gegenüber einer Orthogonalen zur Drehachse des jeweiligen Rollers 30 leicht geneigte ebene Fläche 10.11 übergeht, die um ein Vielfaches breiter ist als die o. g. schmale ebene Fläche 10.9 und wiederum über eine mit einem Radius R16 konvex gekrümmte Übergangsfläche a 10.12 in den Freiraum 10.6 mündet. Als idealer Winkel ergab sich ein Winkel y = 2°. Im unbelasteten Zustand befindet sich ein theoretischer äußerer Anlaufpunkt 10.13 der äußeren Stirnfläche des Rollers 30 am Übergang der geneigten ebenen Fläche 10.11 in die konvex gekrümmte Übergangsfläche a 10.12, die direkt oder, wie weiter unten noch beschrieben werden wird, über eine Kombination entgegengesetzt gekrümmter Flächen in den Freiraum 10.6 übergeht (Fig. 11 ).
Die beiden Fig. 7 und 9 zeigen ferner eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich an die in den Freiraum 10.6 einmündende konvex gekrümmte Übergangsfläche a 10.12 noch eine Kombination entgegengesetzt gekrümmter Flächen anschließt, die durch eine mit einem Radius R17 konvex gekrümmte Teilfläche a 10.14 sowie eine mit einem Radius R18 entgegengesetzt, also konkav gekrümmte Übergangsfläche a 10.15 gebildet wird, so dass das Ende der Anlagegeometrie durch eine durch die Folge eines konvexen und konkaven Radius R17 und R18 erzeugte Wendepunktgeometrie ohne Absatz in den Freiraum 10.6 übergeht. Diese dadurch geschaffene Vergrößerung der Zapfenkopfaussparung bietet dem Tripo- destern 20 beim Eintauchen in die Glocke 10 ausreichend Freiraum und zusätzlich Reservoir für Schmiermittel, welches durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Tripo- desterns 20 in den Kontaktbereich zwischen der Glocke 10 und der Roller 30 gefördert wird und so für verbesserte Reibungszustände sorgt.
Der in radialer Richtung nach innen verlaufende Übergang der Rollenführungsfläche 10.3 in die Spanndurchmesserfläche 10.2 der Glocke 10 wird üblicherweise durch eine mit einem Radius R19 konvex gekrümmte Übergangsfläche b 10.16 gebildet (Fig. 9). Im Unterschied dazu wird in der in Fig. 7 dargestellten Variante der radialen äußeren Anlagegeometrie der Glocke 10 der Übergang von der Rollenführungsfläche 10.3 in die Spanndurchmesserfläche 10.2 der Glocke 10 mit dem kleineren Innenradius R12 in einer erfindungsgemäßen Variante, wie aus Fig. 8 ersichtlich, in drei Teilflächen mit einer Radiuskombination aufgeteilt. Unmittelbar an die Rollenführungsfläche 10.3 schließt sich eine mit einem Radius R20 konvex gekrümmte Teilfläche b 10.17 an, die wiederum über eine mit einem Radius R21 konkav gekrümmte Teilfläche b 10.18 in die bereits aus dem Stand der Technik bekannte konvex gekrümmte Übergangsfläche b 10.16 übergeht. Dadurch wurde eine sekundäre Anlaufgeometrie für die Roller 30 geschaffen, d. h. dass die Roller 30 insbesondere bei Beugung zusätzlich an einem inneren Anlaufpunkt 10.19 (Fig. 12) anliegen. Die beiden ersten entgegengesetzt gekrümmten Teilflächen b 10.17 und 10.18 bilden als Hilfsflächen einen Freistich und dienen zur Freigängigkeit zwischen Roller 30 und Glocke 10. An der konvex gekrümmten Übergangsfläche b 10.16 befindet sich der genannte innere Anlaufpunkt 10.19 (Fig. 12). Im vorliegenden Beispiel berechnen sich alle drei Radien nach der Formel
R 19 = R 20 = R 21 = (2 * Glocken-PCD)/ 51 .
Durch den zusätzlichen, inneren Anlaufpunkt 10.19 verändert sich die Kippkinematik des Rollers 30 bei Änderung der Rollrichtung, was sich positiv auf die periodischen NVH-Anregungen des Tripode-Gleichlaufgelenks auswirkt, da ungünstige Reibungszustände vermieden werden.
In den Fig. 9 und 10 wird eine erfindungsgemäße zweite Variante der radialen äußeren Anlagegeometrie der Laufbahn der Glocke 10 näher beschrieben. Bei dieser Variante ist anstelle der schmalen ebenen Fläche 10.9 eine mit einem Radius R22 konvex gekrümmte Teilfläche aa 10.20 vorgesehen, die sich unmittelbar an die Rollenführungsfläche 10.3 anschließt und unmittelbar in die mit einem Radius R15 konkav gekrümmte Fläche 10.10 übergeht, die wiederum tangential in die in dem Winkel y gegenüber einer Orthogonalen zur Drehachse des jeweiligen Rollers 30 leicht geneigte ebene Fläche 10.11 übergeht. Auch bei dieser Variante kann dann der Übergang von letztgenannter leicht geneigter ebenen Fläche 10.11 in den Freiraum 10.6 über die mit dem Radius R16 konvex gekrümmten Übergangsfläche a 10.12 oder in der o. g. genannten alternativen Variante über die entgegengesetzt gekrümmte Flächenkombination 10.14, 10.15 in den Freiraum 10.6 erfolgen. Die beiden aufeinanderfolgenden entgegengesetzt gekrümmten Teil- bzw. Übergangsflächen aa 10.20 und 10.10 bilden also, ähnlich wie in der zuvor genannten alternativen Gestaltung des Übergangs in den Freiraum 10.6, einen Wendepunkt, so dass die Rollenführungsfläche 10.3 tangential stetig, d. h. ohne einen Absatz, in die leicht geneigte ebene Fläche 10.11 übergehen kann. Wie oben bereits erwähnt, ergab sich als ideale Neigung der ebenen Fläche 10.11 ein Winkel y = 2°. Dadurch kann auch der Radius R15 der konkav gekrümmten Fläche
10.10 über R15 = 3 mm vergrößert werden.
Die Fig. 11 und 12 zeigen den gleichen Ausschnitt aus der Glocke 10 wie in der ersten Variante der Fig. 7 und der zweiten Variante der Fig. 9, jetzt allerdings jeweils mit einem Ausschnitt eines Rollers 30, ohne dass dieser an dieser Stelle näher beschrieben wird, wobei die Position des Rollers 30 im unbelasteten Zustand, d. h. ohne einem anliegenden Drehmoment, zentriert in der Laufbahn der Glocke 10 dargestellt ist. Der kleinste, auf die Drehachse eines Rollers 30 bezogene radiale Abstand zwischen der Anlagegeometrie der Glocke 10 und der Umfangsfläche des Außenrings 30.2 des Rollers 30 ist das radiale Laufbahnspiel öi/2, das maßgebliche die maximale Kipp- und Nickbewegung des Rollers 30 bestimmt. Unter Last, d. h. bei einem an der ersten und/oder zweiten Welle 4 anliegenden Drehmoment, kommt es innerhalb der Anlaufgeometrie der Glocke 10 im Bereich des Übergangs von der geneigten ebenen Fläche
10.11 zur sich anschließenden konvex gekrümmten Übergangsfläche a 10.12 zu einem abstützenden Kontakt zwischen den Rollern 30 und der Glocke 10, der in den Fig. 11 und 12 als äußerer Anlaufpunkt 10.13 kenntlich gemacht ist und einen Abstand s3 von der Drehachse der Roller 30 aufweist. In der räumlichen Betrachtung liegt der äußere Anlaufpunkt 10.13 nicht zwangsläufig in der in dem Schnitt J6 dargestellten Schnittebene, sondern kann sich je nach Nickbewegung der Roller 30 in der Ebene ihrer Stirnfläche bewegen. Mitunter kommt es zu zwei Anlagepunkten pro Laufbahnhälfte, jeweils parallel zur Schnittebene verschoben. Der Abstand der äußeren Anlaufpunkte 10.13 pro Laufbahn beträgt als Sollwert das 0,29-fache des maximalen Durchmessers des Außenrings 30.2 des Rollers 30. Je nach Rollerklasse kann dieser Wert um +/-1 ,5 % abweichen.
Der kleinste axiale Abstand zwischen der Anlagegeometrie der Glocke 10 und der Stirnfläche des Außenrings 30.2 des Rollers 30 ist das stirnseitige oder auch axiale Laufbahnspiel Ö2. Um eine geringe Axialkraftanregung in dem Tripode-Gleichlaufge- lenk zu erreichen, werden als radiales und axiales Laufbahnspiel jeweils öi = Ö2 = tan(0,46°) * s3 angestrebt. Die beiden kleinsten Abstände zwischen Roller 30 und Rollenführungsfläche 10.3 sind um den Kontaktwinkel a versetzt. Hier erfolgt bei Anliegen eines Drehmomentes ein mechanischer Kontakt und damit auch die eigentliche Kraftübertragung. Je größer der Kontaktwinkel a ist, desto größer ist die rollerzentrierende Wirkung unter Beugung des Gelenks. Zeitgleich werden Reibungsspitzen unterbunden und dadurch höhere NVH- Emissionen vermieden. Bei einem gewählten Kontaktwinkel a von 21 ° wird der beste Kompromiss aus Festigkeit, Längsführung, Lebensdauer und NVH-Verhalten erreicht. Bei einem zu großen Kontaktwinkel a wandert die Kontaktellipse über die Rollerkante, d. h. den Übergang von der Lauffläche zur Stirnfläche des Rollers 30, genauer gesagt im Übergang von dessen sphärischer Hauptübertragungsfläche 30.5 zur schrägen ebenen Fläche 30.7 oder ersten ebenen Teilfläche 30.7a (Fig. 14 - 17), hinaus, wodurch es zu Kantenträgem und in der Folge zu einem unerwünschten NVH- Verhalten kommt.
Bei der erfindungsgemäßen Variante des Übergangs von der Rollenführungsfläche 10.3 in die Spanndurchmesserfläche 10.2 der Glocke 10 kommt es durch die beiden zusätzlichen, entgegengesetzt gekrümmten Teilflächen b 10.17 und 10.18 zu einer Verschiebung der konvex gekrümmten Übergangsfläche b 10.16 in Richtung der ersten Drehachse 2 des Tripode-Gleichlaufgelenks, also der Drehachse der Glocke 10, wodurch sich deren Innenradius R12 im Vergleich zur ersten Variante verringert. Zwischen der konvex gekrümmten Übergangsfläche b 10.16 und des nach innen gerichteten Teils der Lauffläche des Außenrings 30.2 des Rollers 30 besteht ein Laufbahnspiel Ö3, wobei der Roller 30 unter Beugung in diesem Abstandsbereich die Laufbahn der Glocke 10 berührt, so dass ein zweiter, nämlich ein innerer Anlaufpunkt 10.19 entsteht. Eine genauere Beschreibung der Kontaktpunkte auf der Lauffläche des Außenrings 30.2 des Rollers 30 erfolgt bei dessen Beschreibung anhand der Fig. 14 - 17. Der Sollwert für das kleinste Laufbahnspiel Ö3 am inneren Anlaufpunkt 10.19 beträgt im vorliegenden Beispiel 0,8 * Ö2.
Ein Kriterium für einen günstigen Kompromiss zwischen Funktionalität und Fertigungsaufwand ist der Schmiegungskehrwert, der sich aus dem Quotienten von dem Radius R13 der Rollenführungsfläche 10.3 und dem Innenradius R31 des Innenrings der Roller 30 (R13/R31 ) berechnet. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Schmiegungskehrwert in Höhe von 1 ,14 gewählt. Damit ist die Kontaktfläche ausreichend groß und zugleich die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Laufbahn der Glocke 10 moderater als bei einem Schmiegungskehrwert näher an 1 .
Ein zweiter zu dem Tripode-Gleichlaufgelenk 1 gehörender Bestandteil ist das in der Fig. 13 dargestellte Gelenkinnenteil, auch Tripodestern 20 genannt. Er besteht aus einer zylindrischen Sternnabe 20.1 mit einer Innenbohrung, die mit einer Innenverzahnung 20.2 zur drehfesten Aufnahme der zweiten Welle 4 versehen ist. Vom Außenmantel der Sternnabe 20.1 gehen in gleichmäßigen Winkelabständen von 120° in radialer Richtung nach außen drei Zapfen 20.3 ab, wobei jeder Zapfen 20.3 einen Zapfenkopf 20.4 aufweist, der über einen gegenüber dem Durchmesser des Zapfenkopfes 20.4 reduzierten Zapfenhals 20.5 in die Sternnabe 20.1 übergeht. Die Form des Zapfenkopfes 20.4 entspricht der eines Kugelsegments. Jeweils an den Übergängen vom Zapfenhals 20.5 zum Zapfenkopf 20.4 sowie zur Sternnabe 20.1 ist eine Übergangskontur vorgesehen, wobei der Radius der Übergangskontur zur Sternnabe 20.1 um den Faktor 2-3 größer ist als der Radius der Übergangskontur zum Zapfenkopf 20.4. Dies trägt zu einer Spannungsoptimierung in diesem Übergangsbereich bei Gewährleistung eines maximalen Beugewinkels von 26° bei.
Ein dritter Bestandteil des Tripode-Verschiebegelenks 1 sind die Roller 30, die quasi das Bindeglied für die Übertragung des Drehmoments zwischen der Glocke 10 und dem Tripodestern 20 darstellen. Aus den zu den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmalen der Glocke 10 lässt sich unschwer darauf schließen, dass die erfindungswesentlichen Merkmale der Roller 30 im Wesentlichen deren mit der Rollenführungsfläche 10.2 der Glocke 10 im Betriebszustand in Kontakt befindliche Laufbahn betreffen. Wie aus Fig. 14 und 16 zu erkennen, besteht der Roller aus einem Innenring 30.1 mit einem Innendurchmesser D31 und einem Außenring 30.2 mit einem Außendurchmesser D32. Der Innenring 30.1 nimmt mit seinem Innendurchmesser D31 den Zapfenkopf 20.4 des Tripodesterns 20 auf und ist über gleichmäßig über seinen Außenumfang verteilte Nadeln 30.3 in dem Außenring 30.2 drehbar gelagert. Beiderseits der Stirnflächen der Nadeln 30.3 und des Innenrings 30.1 ist jeweils ein Federring 30.4 angeordnet, der im Rahmen eines definierten Spiels eine axiale Bewegung zwischen dem Innen- und dem Außenring 30.1 , 30.2 zulässt, wobei die überwiegende translatorische Bewegung zwischen dem Innenring 30.1 und der drehmomentübertragenden Fläche 20.6 der Zapfenköpfe 20.4 erfolgt.
Die Laufbahn des Außenrings 30.2 setzt sich aus einer sphärischen Hauptübertragungsfläche 30.5 und in axialer Richtung beiderseits jeweils symmetrisch angrenzenden Hilfsflächen, die in die jeweilige Stirnfläche 30.6 des Außenrings 30.2 übergehen, zusammen. In bekannter Weise besteht die Hilfsfläche zur Vergrößerung des Beugewinkels des Tripodegelenks aus einer im Winkel £ zur Rollerachse schrägen ebenen Fläche 30.7, die quasi einen „harten“ Übergang von der sphärischen Hauptübertragungsfläche 30.5 in die jeweilige Stirnfläche 30.6 darstellt. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Winkel E = 35°. Unter Beugung kommt die schräge ebene Fläche 30.7 in Kontakt mit der Anlaufgeometrie der Glocke 10. Um diesen Kontakt zu optimieren, sind, wie aus den Fig. 14 und 15 zu erkennen, in einer erfindungsgemäßen Grundvariante der Modifizierung der Laufbahn des Außenrings 30.2 die scharfkantigen Übergänge jeweils von der Hauptübertragungsfläche 30.5 in die schräge ebene Fläche 30.7 mit einer Radiuskontur, die im vorliegenden Beispiel aus einem ersten Übergangsradius R33a und einem sich unmittelbar an diesen anschließenden zweiten Übergangsradius R33b gebildet ist, sowie von der schrägen ebenen Fläche 30.7 in die jeweilige Stirnfläche 30.6 mit einer weiteren Radiuskontur, die aus einem ersten Übergangsradius R34a und einem sich unmittelbar an diesen anschließenden zweiten Übergangsradius R34b gebildet ist, versehen. Hierbei ist der erste Übergangsradius R33a von der sphärischen Hauptübertragungsfläche 30.5 in die schräge ebene Fläche 30.7 mit > 1 ,5 mm der größte Radius, während sowohl der erste Übergangsradius R34a von der schrägen ebenen Fläche 30.7 in den zweiten Übergangsradius R34b als auch die beiden zweiten Übergangsradien R33b und R34b mit < 0,1 mm deutlich kleiner sind. Hierdurch wird unter Beugung ein geringeres Reibungsverhalten erreicht, was sich positiv im Sinne einer Reduzierung der Axialkraftanregung auswirkt.
In den Fig. 16 und 17 ist eine durch weitere Optimierungen der Übergänge von der sphärischen Hauptübertragungsfläche 30.5 zu den Stirnflächen 30.6 entstandene erste Variante dargestellt. Bei dieser Variante ist die schräge ebene Fläche 30.7 in der Weise in zwei ebene Teilflächen 30.7a und 30.7b aufgeteilt, so dass die in die jeweilige Stirnfläche 30.6 übergehende ebene Teilfläche 30.7b einen kleineren Winkel E1 zur Stirnfläche 30.6, im vorliegenden Beispiel von 20°, einnimmt. Die Übergänge von der sphärischen Hauptübertragungsfläche 30.5 in die erste ebene Teilfläche 30.7a sowie von der zweiten ebenen Teilfläche 30.7b in die jeweilige Stirnfläche 30.6 sind jeweils mit einem Übergangsradius R33 bzw. R34 abgerundet, da dieser Bereich als Hauptursache für unerwünschte NVH-Anregungen im Kontakt der Roller 30 mit der Glocke 10 identifiziert wurde.
Alle hier dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszahlenliste
1 Tripode-Gleichlaufgelenk
2 Erste Drehachse
3 Zweite Drehachse
4 Zweite Welle a Kontaktwinkel ß Beugewinkel
Y Winkel der geneigten ebenen Fläche 10.10 öi radiales Laufbahnspiel
Ö2 axiales Laufbahnspiel
Ö3 Laufbahnspiel am inneren Anlaufpunkt 10.18
E Winkel der schrägen ebenen Fläche 30.7 zur Stirnfläche 30.6 des Rollers 30
E1 Winkel der zweiten ebenen Teilfläche 30.7b zur Stirnfläche 30.6 des Rollers 30
10 Glocke
10.1 Ansatz
10.2 Spanndurchmesserfläche
10.3 Rollenführungsfläche
10.4 Erster Radienmittelpunkt
10.5 Zweiter Radienmittelpunkt
10.6 Freiraum
10.7 Rollkreis der Glocke
10.8 Projizierter Glocken-PCD
10.9 Schmale ebene Fläche
10.10 Konkav gekrümmte Fläche
10.11 Geneigte ebene Fläche
10.12 Konvex gekrümmte Übergangsfläche a
10.13 Äußerer Anlaufpunkt
10.14 Konvex gekrümmte Teilfläche a
10.15 Konkav gekrümmte Übergangsfläche a
10.16 Konvex gekrümmte Übergangsfläche b
10.17 Konvex gekrümmte Teilfläche b
10.18 Konkav gekrümmte Teilfläche b 10.19 Innerer Anlaufpunkt
10.20 konvex gekrümmte Teilfläche aa
R10 Außenradius
R11 Innenradius erste Variante
R12 Innenradius zweite Variante
R13 Radius der Rollenführungsfläche 10.3
R14 Bahngrundverrundungsradius
R15 Radius der konkav gekrümmten Fläche 10.10
R16 Radius der konvex gekrümmten Übergangsfläche a 10.12
R17 Radius der konvex gekrümmten Teilfläche a 10.14
R18 Radius der konkav gekrümmten Übergangsfläche a 10.15
R19 Radius der konvex gekrümmten Übergangsfläche b 10.16
R20 Radius der konvex gekrümmten Teilfläche b 10.17
R21 Radius der konkav gekrümmten Teilfläche b 10.18
R22 Radius der konvex gekrümmten Teilfläche aa 10.20 s1 Radialer Versatz der Radienmittelpunkte 10.4 und 10.5 s2 Breite der schmalen ebenen Fläche 10.9 s3 Abstand des äußeren Anlaufpunktes 10.13 von der Drehachse der Roller 30
20 Tripodestern
20.1 Nabenkörper
20.2 Innenverzahnung
20.3 Zapfen
20.4 Zapfenkopf
20.5 Zapfenhals
20.6 Drehmomentübertragende Fläche
20.7 Abflachung des Zapfenkopfes 20.4
30 Roller
30.1 Innenring
30.2 Außenring
30.3 Nadeln
30.4 Federring 30.5 Sphärischen Hauptübertragungsfläche
30.6 Stirnfläche des Außenrings
30.7 Schräge ebene Fläche
30.7a Erste ebene Teilfläche
30.7b Zweite ebene Teilfläche
D31 Innendurchmesser des Innenrings
D32 Außendurchmesser des Außenrings
R33 Übergangsradius von Hauptübertragungsfläche 30.5 zu erster ebener Teilfläche 30.7a
R33a Erster Übergangsradius von Hauptübertragungsfläche 30.5 zu zweitem Übergangsradius R33b
R33b Zweiter Übergangsradius von erstem Übergangsradius R33 zu schräger ebener Fläche 30.7
R34 Übergangsradius von zweiter ebener Teilfläche 30.7b zur Stirnfläche 30.6 des Außenrings 30.2
R34a Erster Übergangsradius von schräger ebener Fläche 30.7 zu zweitem Übergangsradius R34b
R34b Zweiter Übergangsradius von erstem Übergangsradius R34a zur Stirnfläche 30.6 des Außenrings 30.2

Claims

Patentansprüche
1. Gelenkaußenteil für ein Verschiebegelenk vom Typ einer Tripode in der Form einer um eine erste Drehachse (2) rotierende und mit einer ersten Welle drehtest verbundenen zylindrischen Glocke (10), in der ein Gelenkinnenteil in der Form eines um eine zweite Drehachse (3) rotierenden und mit einer zweiten Welle (4) drehtest verbundenen Tripodesterns (20) über Roller (30) axial verschiebbar und mit seiner Drehachse (3) gegenüber der ersten Drehachse winkelbeweglich angeordnet ist, wobei die Glocke (10) an ihrem Innenumfang eine zylindrische Spanndurchmesserfläche (10.2) mit einem Spanndurchmesserradius (R11 , R12) aufweist, die durch drei in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete, parallel zur ersten Drehachse (2) verlaufende Führungsnuten zur Aufnahme der Roller (30) unterbrochen ist, wobei jede Führungsnut zwei in der Rollerebene einander gegenüberliegende Rollenführungsflächen (10.3), eine sich an diese in radialer Richtung nach außen anschließende äußere Anlagegeometrie, an der die Roller (30) mit ihrer radial äußeren Stirnfläche (30.6) zumindest teilweise an einem äußeren Anlaufpunkt (10.13) anliegen, und jeweils der radial äußeren Stirnfläche (30.6) der Roller (30) gegenüberliegend einen Freiraum (10.6) aufweist, und wobei die Rollenführungsflächen (10.3) aus zwei, im Querschnitt senkrecht zur ersten Drehachse gesehen, konkaven Teilflächen mit jeweils gleichen Radien (R13), die wiederum über eine Bahngrundverrundung mit einem Bahngrundverrundungsradius (R14) miteinander verbunden sind, gebildet sind und in radialer Richtung nach innen über eine mit einem Radius (R19) konvex gekrümmte Übergangsfläche b (10.16) in die Spanndurchmesserfläche (10.2) übergehen, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale äußere Anlagegeometrie von einer in einem Winkel (y) gegenüber einer Orthogonalen zur Drehachse des jeweiligen Rollers (30) leicht geneigten ebenen Fläche (10.11 ) und einer sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers (30) erstreckenden, mit einem Radius (R16) konvex gekrümmten Übergangsfläche a (10.12) gebildet sind, und dass die gegenüberliegende Seite der geneigten ebenen Fläche (10.11 ) über eine mit einem Radius (R15) konkav gekrümmte Fläche (10.10) in die Rollenführungsfläche (10.3) übergeht. Gelenkaußenteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (y) ca. 1 ° bis 3° beträgt. Gelenkaußenteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der horizontale Abstand (s3) der äußeren Anlaufpunkte (10.13) zur laufbahnhalbierenden Symmetrieachse pro Laufbahn das 0,29-fache des Durchmessers (D32) des Außenrings (30.2) des Rollers (30) beträgt. Gelenkaußenteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der konkav gekrümmten Fläche (10.10) und der Rollenführungsfläche (10.3) eine schmale ebene Fläche (10.9) angeordnet ist. Gelenkaußenteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der konkav gekrümmten Fläche (10.10) und der Rollenführungsfläche (10.3) eine konvex gekrümmte Teilfläche aa (10.20) vorgesehen ist. Gelenkaußenteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers (30) erstreckende konvex gekrümmte Übergangsfläche a (10.12) in zwei konvex gekrümmte Übergangs- oder Teilflächen a (10.12, 10.14) mit einem Radius (R16, R17) aufgeteilt ist, und der Übergang in den Freiraum (10.6) durch eine zusätzliche konkav gekrümmte Übergangsfläche a (10.15) mit einem Radius (R18) gebildet ist. Gelenkaußenteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung nach innen in die Spanndurchmesserfläche (10.2) übergehende konvex gekrümmte Übergangsfläche b (10.16) mit dem Radius (R19) in drei Teilflächen aufgeteilt ist, wobei zwischen den beiden konvex gekrümmten Übergangs- oder Teilflächen b (10.16, 10.17) mit den Radien (R19 und R20) eine konkav gekrümmte Teilfläche b (10.18) mit einem Radius (R21 ) angeordnet ist. Gelenkaußenteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien (R19, R20 und R21 ) der drei gekrümmten Übergangs- oder Teilflächen (10.16, 10.17 und 10.18) gleich groß sind und sich nach der Formel
R19 =R20 = R21 = (2 * Glocken-PCD)/ 51 berechnen, wobei die Glocken-PCD (PCD = pitch circle diameter) der Teilkreisdurchmesser der Glocke in der Mitte ihrer Rollenführungsfläche (10.3) ist. Verschiebegelenk vom Typ einer Tripode für einen automobilen Antriebsstrang, aufweisend
- ein Gelenkaußenteil in der Form einer um eine erste Drehachse (2) rotierende und mit einer ersten Welle drehfest verbundenen zylindrischen Glocke (10),
- ein Gelenkinnenteil in der Form eines um eine zweite Drehachse (3) rotierenden und mit einer zweiten Welle (4) drehfest verbundenen Tripodesterns (20), der eine Sternnabe (20.1 ) und drei von dieser in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander in radialer Richtung nach außen gerichtete Zapfen (20.3) aufweist, die aus einem Zapfenhals (20.5) und einem kugelsegmentförmigen Zapfenkopf (20.4) bestehen, der an zwei diametral gegenüberliegenden und 90° zu den sphärischen drehmomentübertragenden Umfangsbereichen (20.6) abgeflacht ist und im montierten Zustand des Verschiebegelenks jeweils einen Roller (30) winkelbeweglich aufnimmt, über die das Gelenkinnenteil in dem Gelenkaußenteil axial verschiebbar und mit seiner Drehachse (3) gegenüber der ersten Drehachse des Gelenkaußenteils winkelbeweglich angeordnet ist,
- wobei die Glocke (10) an ihrem Innenumfang eine zylindrische Spanndurchmesserfläche (10.2) mit einem Spanndurchmesserradius (R11 , R12) aufweist, die durch drei in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete, parallel zur ersten Drehachse (2) verlaufende Führungsnuten zur Aufnahme der Roller (30) unterbrochen ist, wobei jede Führungsnut zwei in der Rollerebene einander gegenüberliegende Rollenführungsflächen (10.3), eine sich an diese in radialer Richtung nach außen anschließende äußere Anlagegeometrie, an der die Roller (30) mit ihrer radial äußeren Stirnfläche (30.6) zumindest teilweise an einem äußeren Anlaufpunkt (10.13) anliegen, und jeweils der radial äußeren Stirnfläche (30.6) der Roller (30) gegenüberliegend einen Freiraum (10.6) aufweist, und wobei die Rollenführungsflächen (10.3) aus zwei, im Querschnitt senkrecht zur ersten Drehachse gesehen, konkaven Teilflächen mit jeweils gleichen Radien (R13), die wiederum über eine Bahngrund- verrundung mit einem Bahngrundverrundungsradius (R14) miteinander verbunden sind, gebildet sind und in radialer Richtung nach innen über eine mit einem Radius (R19) konvex gekrümmte Übergangsfläche b (10.16) in die Spanndurchmesserfläche (10.2) übergehen, und wobei
- jeder Roller (30) aus einem Außenring (30.2) und einem über Wälzkörper (30.3) drehbar mit diesem verbundenen Innenring (30.1 ) besteht, über den die Roller (30) winkelbeweglich auf dem Zapfenkopf (20.4) der Zapfen (20.3) des Tripodesterns (20) angeordnet sind, wobei das Gelenkinnenteil im montierten Zustand mittels der Roller (30) in den genannten Führungsnuten der Glocke (10) axial verschiebbar geführt ist und dabei die Außenlaufbahn des Außenrings (30.2) jedes Rollers (30) zumindest teilweise mit den Innenlaufbahnen der Führungsnuten in Kontakt kommt, wobei die Außenlaufbahn jedes Rollers (30) einen sphärischen Umfangsbereich als Hauptkraftübertragungsfläche (30.5) aufweist, die über mindestens eine modifizierte Hilfsfläche jeweils in die äußere und innere Stirnfläche (30.6) des Außenrings (30.2) des Rollers (20) übergeht, dadurch gekennzeichnet,
- dass die radiale äußere Anlagegeometrie des Gelenkaußenteils von einer in einem Winkel (y) gegenüber einer Orthogonalen zur Drehachse des jeweiligen Rollers (30) leicht geneigten ebenen Fläche (10.11 ) und einer sich in Richtung der Drehachse des jeweiligen Rollers (30) erstreckenden, mit einem Radius (R16) konvex gekrümmten Übergangsfläche a (10.12) gebildet sind,
- dass die gegenüberliegende Seite der geneigten ebenen Fläche (10.11 ) über eine mit einem Radius (R15) konkav gekrümmte Fläche (10.10) in die Rollenführungsfläche (10.3) übergeht
- und dass der Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche (30.5) der Roller zu deren äußeren und inneren Stirnfläche (30.6) durch eine ebene Fläche (30.7) gebildet ist und an dem jeweiligen Übergang von der sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche (30.5) zu der ebenen Fläche (30.7) jeweils mindestens ein Übergangsradius (R33a, R33b) sowie von der ebenen Fläche (30.7) in die äußere und innere Stirnfläche (30.6) jeweils mindestens ein Übergangsradius (R34a, R34b) vorgesehen ist. Verschiebegelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsradien (R33a, R34b) der Roller (30) an dem jeweiligen Übergang von deren sphärischen Hauptkraftübertragungsfläche (30.5) zu der ebenen Fläche (30.7) größer als 1 ,5 mm sind. Verschiebegelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsradien (R33b; R34a) der Roller (30) von der ebenen Fläche (30.7) in die äußere und innere Stirnfläche (30.6) kleiner als 0,1 mm sind. Verschiebegelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche (30.7) in zwei ebene Teilflächen (30.7a und 30.7b) aufgeteilt ist, wobei die in axialer Richtung gesehen jeweils zweite ebene Teilfläche (30.7b) über einen Radius (R34) in die jeweilige Stirnfläche (30.6) des Außenrings (30.2) des Rollers (30) übergeht. Verschiebegelenk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils erste ebene Teilfläche (30.7a) um 35° und die jeweils zweite ebene Teilfläche (30.7b) um 20° gegenüber der jeweiligen Stirnfläche (30.6) geneigt ist. Verschiebegelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Laufbahnspiel (öi) zwischen der Rollenführungsfläche (10.3) der Glocke (10) und dem Außenring (30.2) des Rollers (30) sowie das axiale Laufbahnspiel (Ö2) zwischen der Anlagefläche der Glocke (10) im Bereich ihrer radialen äußeren Anlagegeometrie und der äußeren Stirnfläche des Rollers (30) sich nach der Formel öi = Ö2 = tan(0,46°) * s3 berechnen. Verschiebegelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufbahnspiel (Ö3) zwischen der Anlagefläche der Glocke (10) im Bereich der drei gekrümmten Teil- oder Übergangsflächen (10.17, 10.18 und 10.16), also im Bereich des inneren Anlaufpunktes (10.19), und dem Außenring (30.2) des Rollers (30) maximal 0,8 mal dem Laufbahnspiel (Ö2) beträgt.
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