DE102006058860A1

DE102006058860A1 - Gleichlauffestgelenk

Info

Publication number: DE102006058860A1
Application number: DE200610058860
Authority: DE
Inventors: Oliver Clemm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-07-10

Abstract

Ein Gleichlauffestgelenk (1) umfasst ein Gelenkaußenteil (2) mit einer Längsachse (A) und mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen (7), ein Gelenkinnenteil (3) mit einer Längsachse (B) und mit an seinem Außenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen (8), wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln (11) sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil (2) und dem Gelenkinnenteil (3) angeordneten Käfig (9), der in Umfangsrichtung Fenster (10) zur Aufnahme jeweils einer Kugel (11) aufweist. Das Gelenkaußenteil (2) weist eine erste Gruppe von Kugellaufbahnen auf, die schräg zur Längsachse (A) des Gelenkaußenteils (2) verlaufen, eine zweite Gruppe von Kugellaufbahnen mit entgegengesetzter Schrägung sowie gegebenenfalls eine dritte Gruppe von Kugellaufbahnen, die in die Längsachse (A) einschließenden Radialebenen verlaufen, wobei den geschrägten Kugellaufbahnen am Gelenkaußenteil (2) geschrägte Kugellaufbahnen am Gelenkinnenteil (3) gegenüberliegen, so dass sich am Gelenkaußenteil (2) und Gelenkinnenteil (3) einander gegenüberliegende geschrägte Kugellaufbahnen kreuzen und den in Radialebenen des Gelenkaußenteils (2) verlaufenden Kugellaufbahnen an dem Gelenkinnenteil (3) Kugellaufbahnen gegenüberliegen, die in Radialebenen des Gelenkinnenteils (3) verlaufen. Die Kugellaufbahnen (7, 8) sind jeweils derart gekrümmt, dass der durch alle möglichen ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichlauffestgelenk, das sich insbesondere zum Einsatz als radseitiges Gelenk in einer Vorderachs-Seitenwelle eines Kraftfahrzeugs eignet. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Gleichlauffestgelenk, umfassend ein Gelenkaußenteil mit einer Längsachse und mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, ein Gelenkinnenteil mit einer Längsachse und mit an seinem Außenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln, sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil und den Gelenkinnenteil angeordneten Käfig, der in Umfangsrichtung Fenster zur Aufnahme jeweils einer Kugel aufweist.
An Vorderachs-Seitenwellen werden als radseitige Festgelenke oftmals sogenannte Rzeppagelenke eingesetzt, deren Kugellaufbahnmittelachsen in Radialebenen verlaufen, die die jeweilige Längsachse des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils einschließen. Beim Beugen des Gelenks werden dessen Kugeln durch den Käfig in eine Halbwinkelebene gesteuert, die zwischen den im Fall einer Beugung des Gelenks zueinander angewinkelten Längsachsen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils aufgespannt wird. Bei kleinen Beugewinkeln weisen die hierbei auftretenden Axialkräfte der Kugeln in die gleiche Richtung und werden vom Käfig aufgenommen. Der Käfig ist an gekrümmten Wandabschnitten des Gelenkaußenteils und das Gelenkinnenteils geführt. Die Axialkräfte der Kugeln drücken somit den Käfig gegen dessen Führungsbahnen am Gelenkaußenteil bzw. Gelenkinnenteil. In Abhängigkeit des zu übertragenden Drehmoments können hierbei Stützkräfte von einigen hundert Newton auftreten. Diese Kräfte wirken auf radial weit von den Beugeachsen des Gelenkaußenteils und Gelenkinnenteils beabstandeten Kontaktflächen zwischen dem Käfig und dem Gelenkaußenteil bzw. dem Gelenkinnenteil, wodurch sich bei Beugung des Gelenks ein entsprechend hohes Reibmoment einstellt. Durch die bei Drehung des Gelenks entstehende Reibleistung wird der Wirkungsgrad des Gelenks begrenzt. Zudem führt die Reibung zu einer Erwärmung.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Festgelenk zu schaffen, das einen verbesserten Wirkungsgrad bzw. geringere Reibungsverluste aufweist.
Ein momentan verfolgter Ansatz besteht darin, durch abwechselnde Öffnungswinkel an in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Kugellaufbahnpaaren an den Kugeln einander entgegengerichtete Axialkräfte zu erzeugen, die sich gegenseitig ausgleichen. Im Idealfall ist der Käfig hierdurch nach außen axialkraftfrei, das heißt die an diesem angreifenden Axialkräfte der Kugeln heben sich gegeneinander auf. Ein solches Gelenk wird beispielsweise in der DE 10 2004 018 777 A1 beschrieben.
Ein Ausgleich der Axialkräfte der Kugeln kann auch bei sogenannten VL-Gelenken erzielt werden, bei denen sich die einander gegenüberliegenden Kugellaufbahnen am Gelenkaußenteil und am Gelenkinnenteil kreuzen. Derartige Gelenke sind unter anderem aus der DE 10 2004 062 843 A1 , der DE 103 53 608 A1 , der DE 38 18 730 A1 und der DE 31 02 871 A1 bekannt. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um Festgelenke, sondern um Verschiebegelenke ohne festgelegtes Beugezentrum. Die geschrägten Kugellaufbahnen sind dementsprechend gerade ausgeführt. Durch eine axiale Festlegung des Käfigs kann, wie in der DE 10 2004 031 A1 beschrieben, über sphärische Kontaktflächen ein Festgelenk mit gekreuzten Kugellaufbahnen erhalten werden.
Ein weiteres Festgelenk mit gekreuzten Kugellaufbahnen wird in der WO 01/61203 A2 beschrieben. Dabei sind alle Kugellaufbahnen am Gelenkaußenteil in gleicher Richtung und alle Kugellaufbahnen am Gelenkinnenteil in entgegengesetzter Richtung zur jeweiligen Bauteillängsachse schräg angeordnet. Zudem ist der Käfig über sphärische Kontaktflächen sowohl am Gelenkaußenteil als auch am Gelenkinnenteil geführt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuen Festgelenktyp anzugeben, der sich durch einen hohen Wirkungsgrad bzw. geringe Reibungsverluste auszeichnet, sowie ferner mit geringem Bearbeitungsaufwand herstellbar ist und ein sehr geringes Radialspiel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Gleichlauffestgelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gleichlauffestgelenk umfasst ein Gelenkaußenteil mit einer Längsachse und mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, ein Gelenkinnenteil mit einer Längsachse und mit an seinem Außenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln, sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil und den Gelenkinnenteil angeordneten Käfig, der in Umfangsrichtung Fenster zur Aufnahme jeweils einer Kugel aufweist. Das Gelenk zeichnet sich dadurch aus, dass das Gelenkaußenteil eine erste Gruppe von Kugellaufbahnen aufweist, die schräg zur Längsachse des Gelenkaußenteils verlaufen, sowie eine zweite Gruppe von Kugellaufbahnen mit entgegengesetzter Schrägung, so dass sich am Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil einander gegenüberliegende geschrägte Kugellaufbahnen kreuzen, sowie dadurch, dass die Kugellaufbahnen jeweils derart gekrümmt sind, dass der durch alle möglichen Aufenthaltsorte der jeweiligen Kugel gebildete Bogen einen Krümmungsmittelpunkt jenseits der Längsachse des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils aufweist.
Durch die Kombination von gekreuzten Kugellaufbahnen mit einem gekrümmten Laufbahnverlauf wird ein neuer Typ eines Gleichlauffestgelenk geschaffen, der einen weitgehenden Ausgleich der Axialkräfte der Kugeln am Käfig ermöglicht. Insbesondere werden bei großen Beugewinkeln in den Endbereichen der Kugellaufbahnen ausreichende Umschlingungswinkel an den einzelnen Kugeln gewährleistet und somit eine Überlastung vermieden. Dies gestattet die Übertragung höherer Drehmomente. Bei ausschließlicher Verwendung von geschrägten Kugellaufbahnen werden Kugeldurchmesser und Schrägungswinkel so abgestimmt, dass hinreichend große Stegbreiten zwischen den Kugellaufbahnen erhalten bleiben.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gelenks liegt in seinem reduzierten Fertigungsaufwand im Vergleich zu konventionellen Festgelenken. Da die Steuerung im wesentlichen über die Kugeln erfolgt und da ferner zwischen dem Käfig und dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil nicht direkt, sondern lediglich mittelbar über die Kugeln Axialkräfte übertragen werden, sind präzise bearbeitete Kontaktflächen zwischen dem Käfig und dem Gelenkaußenteil bzw. zwischen dem Käfig und dem Gelenkinnenteil nicht erforderlich. Die entsprechenden Flächen können folglich mit relativ groben Toleranzen hergestellt werden. Auch ein Härten dieser Flächen am Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil, wie dies insbesondere bei herkömmlichen UF/RF-Gelenken notwendig ist, kann entfallen.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Gelenk mit einem sehr geringen Radialspiel gebaut werden. Ein solches ist bei herkömmlichen UF/RF-Gelenken aufgrund der Doppelpassung zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil einerseits über den Käfig und andererseits über die Kugeln erforderlich. Dieses radiale Spiel hat bei herkömmlichen Gelenken zur Folge, dass unter Drehmomentbelastung die Kugeln in radialer Richtung aus ihrer Laufbahn gedrückt werden. Hierdurch können infolge von Materialverformungen Aufwertungen an den Kanten der Kugellaufbahnen auftreten, die die benachbarten Führungsflächen für den Käfig deformieren. Im Extremfall wird der Käfig von solchen Materialaufwerfungen aufgeschlitzt. Um dies zu verhindern, werden bei herkömmlichen Gelenken an den Rändern der Kugellaufbahnen Fasen vorgesehen, welche jedoch den Umschlingungswinkel der Kugeln und damit das Drehmomentübertragungspotenzial verringern. Zudem sind solche Fasen mit einem zusätzlichen Bearbeitungsaufwand verbunden.
Das mit dem erfindungsgemäßen Gelenk mögliche, sehr geringe radiale Spiel verhindert die Tendenz des Hochwanderns der Kugeln innerhalb der Kugellaufbahnen und damit die Bildung von Aufwertungen an den Rändern derselben. Dadurch kann das Anbringen separater Fasen vermieden und das Drehmomentübertragungspotenzial erhöht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Gelenk lassen sich Beugewinkel in der Größenordnung von 30° und bis zu mehr als 45° realisieren.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten, vorteilhaften Ausgestaltung ist eine dritte Gruppe von Kugellaufbahnen vorgesehen, deren Schrägungswinkel von dem Schrägungswinkel der ersten und zweiten Gruppe abweichen. Vorzugsweise sind die Schrägungswinkel in der dritten Gruppe betragsmäßig kleiner als in der ersten und zweiten Gruppe.
Insbesondere kann der Schrägungswinkel in der dritten Gruppe auch 0° sein, so dass sich Kugellaufbahnen ergeben, die in Radialebenen verlaufen, welche jeweils die Längsachse des jeweiligen Gelenkbauteils einschließen.
Die Kugellaufbahnen der dritten Gruppe sind jedoch wie die Kugellaufbahnen der ersten und zweiten Gruppe gekrümmt.
Durch die nicht bzw. weniger stark steuernden Kugellaufbahnen ergibt sich ein höheres Drehmomentübertragungspotenzial, da die Kugeln in den ungeschrägten bzw. weniger stark geschrägten Kugellaufbahnen einen größeren Beitrag zur Drehmomentübertragung ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zwei Kugellaufbahnen mit entgegengesetzter Schrägung in Umfangsrichtung unmittelbar benachbart angeordnet.
Sind lediglich Kugellaufbahnen der ersten und zweiten Gruppe vorhanden, werden diese in Unfangsrichtung bevorzugt abwechselnd angeordnet.
Andernfalls kann vorgesehen werden, dass in Umfangsrichtung auf zwei geschrägte Kugellaufbahnen der ersten und zweiten Gruppe eine Kugellaufbahn der dritten Gruppe folgt.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in einer Gelenkmittelebene, welche sich durch das Beugezentrum des Gelenks erstreckt und bei ungebeugtem Gelenk senkrecht zu den Längsachse des Gelenkinnenteils und des Gelenkaußenteils verläuft, der Winkelabstand der Laufbahnmitten zwischen benachbarten Kugellaufbahnen der ersten und zweiten Gruppe größer als der Winkelabstand zwischen einer geschrägten Kugellaufbahn der ersten oder zweiten Gruppe und einer benachbarten Kugellaufbahn der dritten Gruppe.
Aufgrund der Funktion als Festgelenk ergeben sich im Vergleich zu VL-Verschiebegelenken sehr lange, schräg verlaufende Kugellaufbahnen. Durch die vorstehend genannten Maßnahmen kann gleichwohl verhindert werden, dass die Stege zwischen zwei benachbarten Kugellaufbahnen zu dünn werden. Vielmehr lassen sich die Stege so dimensionieren, dass diese bei einem Härten des Bauteils nicht durchgehärtet werden. Dadurch wird eine Sprödbruchgefahr vermieden. Ansonsten müssten schmalere Laufbahnen und kleinere Kugeln zum Einsatz kommen. Durch diese Maßnahme wird folglich die Drehmomentübertragungskapazität bzw. das Drehmomentübertragungspotenzial des Gelenks weiter verbessert.
Bevorzugt verlaufen zwei ungeschrägte Kugellaufbahnen in einer gemeinsamen Radialebene. Dies begünstigt ebenfalls breitere Stege zwischen benachbarten Kugellaufbahnen mit der Folge eines höheren übertragbaren Drehmoments. Weiterhin kann einer linksgeschrägten Kugellaufbahn in Umfangsrichtung eine weitere linksgeschrägte Kugellaufbahn diametral gegenüberliegen. Dies kann analog auch für rechtsgeschrägte Kugellaufbahnen vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis von Kugeldurchmesser zum Wälzkreisdurchmesser in Gelenkmitte bei ungebeugtem Gelenk im Bereich von 0,25 bis 0,40.
Das Verhältnis von Kugeldurchmesser zum Krümmungsradius der gekrümmten Bahn der Kugelmittelpunkte liegt bevorzugt im Bereich von 0,20 bis 0,60.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Käfig gegenüber einem der Gelenkbauteile, d. h. gegenüber dem Gelenkaußenteil oder dem Gelenkinnenteil, axial durch eine Spielpassung von bis zu einigen Zehntel Millimetern in seiner Axialbewegbarkeit beschränkt ist. Zu dem jeweils anderen Gelenkbauteil kann ebenfalls eine Spielpassung oder sogar ein größerer Abstand von bis zu einigen Millimetern vorgesehen sein.
Insbesondere kann zwischen dem Käfig und einem Gelenkbauteil, d. h. dem Gelenkaußenteil bzw. dem Gelenkinnenteil eine Spielpassung vorgesehen werden, während der Käfig radial von dem jeweils anderen Gelenkbauteil beabstandet ist.
Da sich die Axialkräfte der Kugeln am Käfig weitestgehend ausgleichen, ist dieser im wesentlichen axialkraftfrei.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine räumliche Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels für ein Gleichlauffestgelenk nach der Erfindung,
2 eine Längsschnittansicht des Gelenks aus 1,
3 eine weitere Längsschnittansicht des Gelenks aus 1, in einer gegenüber 2 verdrehten Schnittebene,
4 eine Querschnittsansicht des Gelenkinnenteils in der Gelenkmittelebene,
5 eine Längsschnittansicht des Gelenkinnenteils,
6 eine Abwicklung des Gelenkinnenteils in schematischer Darstellung,
7 eine Abwicklung des korrespondierenden Kugellaufbahnbereichs des Gelenkaußenteils in schematischer Darstellung,
8 eine Abwicklung des Gelenkinnenteils in schematischer Darstellung für ein zweites Ausführungsbeispiel,
9 eine Abwicklung des korrespondierenden Kugellaufbahnbereichs am Gelenkaußenteil für das zweite Ausführungsbeispiel,
10 eine Abwicklung des Gelenkinnenteils in schematischer Darstellung für ein drittes Ausführungsbeispiel,
11 eine Abwicklung des korrespondierenden Kugellaufbahnbereichs am Gelenkaußenteil für das dritte Ausführungsbeispiel,
12 eine räumliche Ansicht des Gelenks nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, und in
13 eine Querschnittsansicht des Gelenkinnenteils in der Gelenkmittelebene für das Gelenk nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das erste Ausführungsbeispiel zeigt ein Gleichlauffestgelenk 1 mit einem Gelenkaußenteil 2 und einem Gelenkinnenteil 3. Dabei ist das als Nabe mit Innenverzahnung ausgeführte Gelenkinnenteil 3 in dem glockenförmigen Gelenkaußenteil 2 angeordnet. An den einander gegenüberliegenden Flächen 4 und 5 des Gelenkaußenteil 2 und des Gelenkinnenteil 3 sind jeweils eine Vielzahl von Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 ausgebildet, die einander gegenüberliegende Kugellaufbahnpaare bilden. Zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 ist weiterhin ein Käfig 9 angeordnet, der an seinem Umfang eine Vielzahl von Fenstern 10 aufweist. In diesen Fenstern 10 ist jeweils eine Kugel 11 angeordnet, die in einem Kugellaufbahnpaar gehalten ist, um Drehmomente zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 zu übertragen.
Die Kugellaufbahnen 7 an der radial nach innen weisenden Fläche 4 des Gelenkaußenteils 2 besitzen, wie in 7 anhand einer Abwicklung des Kugellaufbahnbereichs dargestellt, unterschiedliche Schrägungswinkel α_i zur Längsachse A des Gelenkaußenteils 2. So verlaufen die Kugellaufbahnen 7₁ , einer ersten Gruppe von Kugellaufbahnen 7 schräg zur Längsachse A, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft ein Schrägungswinkel α₁ von +15° vorgesehen ist. Die Kugellaufbahnen 7₂ einer zweiten Gruppe von Kugellaufbahnen 7 verläuft ebenfalls schräg zur Längsachse A, allerdings mit einem im Vergleich zu den Kugellaufbahnen 7₁ der ersten Gruppe entgegengesetzten Schrägungswinkel α₂, der hier beispielhaft –15° beträgt. Eine dritte Gruppe von Kugellaufbahnen 7₃ ist so angeordnet, dass deren Mittelachsen jeweils in einer die Längsachse A einschließenden Radialebene des Gelenkaußenteils 2 verlaufen, das heißt einen Schrägungswinkel zur Längsachse A von 0° besitzen.
Die zugehörigen Kugellaufbahnen 8 an der radial nach außen weisenden Fläche 5 des Gelenkinnenteils 3 sind so ausgebildet, dass geschrägten Kugellaufbahnen 7₁ bzw. 7₂ am Gelenkaußenteil 2 ebenfalls geschrägte Kugellaufbahnen 8₁ bzw. 8₂ am Gelenkinnenteil 3 gegenüberliegen, so dass sich am Gelenkaußenteil 2 und Gelenkinnenteil 3 einander gegenüberliegende geschrägte Kugellaufbahnen 7₁ und 8₁ bzw. 7₂ und 8₂ kreuzen, während den ungeschrägten Kugellaufbahnen 7₃ am Gelenkaußenteil 2 ebenfalls ungeschrägte Kugellaufbahnen 8₃ am Gelenkinnenteil zugeordnet sind. Damit ergibt sich für das Gelenkinnenteil 3 die in 6 dargestellte Abwicklung der Fläche 5. Die Kugellaufbahnen 8₁ der ersten Gruppe von Kugellaufbahnen 8, die den Kugellaufbahnen 7₁ der entsprechenden Gruppe am Gelenkaußenteil 2 überkreuz gegenüberliegen, verlaufen schräg zur Längsachse B des Gelenkinnenteils 3, wobei hier beispielhaft einen Schrägungswinkel β₁ von –15° vorgesehen ist. Die Kugellaufbahnen 8₂ einer zweiten Gruppe verlaufen ebenfalls schräg zur Längsachse B, jedoch wiederum mit entgegengesetztem Schrägungswinkel β₂, der hier beispielhaft +15° beträgt. Eine dritte Gruppe von Kugellaufbahnen 8₃ ist analog zu dem Gelenkaußenteil 2 so angeordnet, dass deren Mittelachsen jeweils in einer die Längsachse B des Gelenkinnenteils 3 einschließenden Radialebene verlaufen und somit in der Abwicklung einen Schrägungswinkel zur Längsachse B von 0° aufweisen.
Über die Kugeln 11 in den gekreuzten Kugellaufbahnpaaren 7₁ und 8₁ bzw. 7₂ und 8₂ wird der Käfig 9 bei einer Beugung des Gelenks in eine Halbwinkelebene zwischen den dann zueinander angewinkelten Längsachsen A und B des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 gesteuert. Die sich kreuzenden Laufbahnen verursachen in dem zwischen ihnen aufgenommenen Kugeln 11 jeweils eine Axialkraftkomponente, so dass sich die jeweilige Kugel 11 an einem Steg des Käfigs 9 abstützen muss. Diese Kraftkomponente trägt nicht zur Drehmomentübertragung bei, sondern verursacht Reibung. Hingegen sind die Kugeln 11 in den ungeschrägten Kugellaufbahnpaaren 7₃ und 8₃ vollständig zur Drehmomentübertragung nutzbar, da diese bei 0° Beugewinkel keine Steuerungsfunktion besitzen. Durch die Maximierung des Anteils der Kugelkraft, der zur Drehmomentübertragung genutzt werden kann, wird der Wirkungsgrad des Gelenks gesteigert.
Die Aufeinanderfolge der unterschiedlich ausgerichteten Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 in Umfangsrichtung kann prinzipiell frei gewählt werden. Allerdings lassen sich durch besondere Anordnungsmuster das Drehmomentübertragungspotenzial des Gelenks weiter verbessern, sowie die verbleibenden Beugemomente um die Gelenkachsen positiv beeinflussen.
Insbesondere können zwei Kugellaufbahnen 7₁ und 7₂ bzw. 8₁ und 8₂ mit entgegengesetzter Schrägung in Umfangsrichtung unmittelbar benachbart angeordnet werden. Überdies kann auf zwei geschrägte Kugellaufbahnen eine ungeschrägte Kugellaufbahn 7₃ bzw. 8₃ folgen, die in der Radialebene der jeweiligen Längsachse A bzw. B verläuft.
Hierdurch können die Abstände zwischen benachbarten Endabschnitten aufeinanderzulaufender Kugellaufbahnen bei langen Laufbahnen ausreichend groß gewählt werden, um bei einem Härten ein Durchhärten der Stege zwischen den Kugellaufbahnen und eine damit verbundene Sprödbruchgefahr zu vermeiden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit sechs Kugeln 11 liegen dann die Mittelachsen der zwei ungeschrägten Kugellaufbahnen 7₃ des Gelenkaußenteils 2 in einer gemeinsamen Radialebene der Längsachse A und die Mittelachsen der ungeschrägten Kugellaufbahnen 8₃ des Gelenkinnenteils 3 in einer gemeinsamen Radialebene der Längsachse B.
Zudem liegt einer linksgeschrägten Kugellaufbahn in Umfangsrichtung eine weitere linksgeschrägte Kugellaufbahn und einer rechtsgeschrägten Kugellaufbahn in Umfangsrichtung eine weitere rechtsgeschrägte Kugellaufbahn diametral gegenüber.
Zur Vermeidung dünner Stege können die Kugellaufbahnen 7 und 8 bezogen auf die Gelenkmittelebene E, welche das Beugezentrum M des Gelenks enthält, mit ungleichmäßiger Teilung angeordnet werden. Wie in 4 dargestellt, wird der Winkelabstand γ₁ der Laufbahnmitten zwischen benachbarten geschrägten Kugellaufbahnen 8₁ und 8₂ größer gewählt als der Winkelabstand γ₂ zwischen einer geschrägten Kugellaufbahn 8₁ bzw. 8₂ und einer benachbarten ungeschrägten, in einer Radialebene verlaufenden Kugellaufbahn 8₃ .
Weiterhin sind die Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 jeweils derart gekrümmt, dass der durch alle möglichen Aufenthaltsorte der jeweiligen Kugel 11 gebildete Bogen P einen Krümmungsmittelpunkt C jenseits der Längsachse A bzw. B des Gelenkaußenteils 2 bzw. Gelenkinnenteils 3 aufweist. Dieser Krümmungsmittelpunkt C kann in der Gelenkmittelebene E liegen oder aber auch einen Axialoffset aufweisen, d. h. etwas seitlich zur Gelenkmittelebene E versetzt sein.
Durch die Krümmung der Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 wird über den gesamten Bahnverlauf ein möglichst gleichmäßiger und ausreichend großer Kugelumschlingungswinkel gewährleistet. Dies wirkt sich positiv auf die Festigkeitseigenschaften der Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 sowie der Kugeln 9 aus und begünstigt die Übertragung hoher Drehmomente.
Die vorstehend erläuterte Konfiguration ermöglicht überdies eine kompakte Bauweise sowie den Einsatz verhältnismäßig großer Kugeln 11. So liegt das Verhältnis von Kugeldurchmesser d zum Wälzkreisdurchmesser D in Gelenkmitte bei ungebeugtem Gelenk bei etwa 0,25 bis 0,30 und kann bis 0,40 betragen. Das Verhältnis von Kugeldurchmesser d zum Krümmungsradius R der gekrümmten Bahn P der Kugelmittelpunkte liegt hier im Bereich von 0,20 bis 0,30 und kann bis 0,60 betragen.
Bei dem dargestellten Gelenk wird eine Doppelpassung zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 vermieden. Hierzu werden zwischen der Außenumfangsfläche 12 des Käfigs 9 und der nach innen weisenden Fläche 4 des Gelenkaußenteils 2 sowie der Innenumfangsfläche 13 des Käfigs 9 und der radial nach außen weisenden Fläche 5 des Gelenkinnenteils 3 eine Spielpassung von einigen Zehntel Millimetern oder ein sogar Abstand in der Größenordnung von einem oder mehreren Millimetern vorgesehen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Außenumfangsfläche 12 des Käfigs 9 und der nach innen weisenden Fläche 4 des Gelenkaußenteils 2 eine Spielpassung vorgesehen, die es gestattet, die einander gegenüberliegenden Flächen am Gelenkaußenteil 2 sowie am Käfig 9 mit verhältnismäßig groben Toleranzen herzustellen. Zwischen dem Käfig und dem Außenteil reicht ein loser Kontakt, damit sich nicht im Laufe des Betriebe oder aufgrund von Fertigungstoleranzen und sich daraus ergebenden kleinen Axialkräften das Gelenk verschiebt. Durch den Entfall präzise bearbeiteter Kontaktflächen wird die Fertigung vereinfacht. Zudem ist ein Härten dieser Flächen nicht erforderlich. Zwischen der Innenumfangsfläche 13 des Käfigs 9 und der radial nach außen weisenden Fläche 5 des Gelenkinnenteils 3 ist ein etwas größerer Abstand vorgesehen, so dass sich diese Flächen im Betrieb nicht berühren und ebenfalls mit wenig Aufwand herstellbar sind. Alternativ hierzu können zwischen dem Käfig und dem Gelenkinnenteil eine Spielpassung und zwischen Käfig und dem Gelenkaußenteil ein größerer Abstand oder gegebenenfalls auch eine Spielpassung vorgesehen werden.
Grundsätzlich kann zwischen dem Käfig und einem Gelenkbauteil, d. h. Gelenkaußenteil bzw. Gelenkinnenteil, ein verhältnismäßig enger Kontakt und weiterhin ein großes axiales Spiel zwischen dem Käfig und dem anderen Gelenkbauteil vorgesehen werden. Entscheidend ist, dass der Käfig relativ zu einem der beiden Gelenkbauteile in seiner Axialbeweglichkeit eingeschränkt wird. Das entsprechend andere Gelenkbauteil kann sich dann axial nicht mehr bewegen, weil es stets das folgende Verhältnis der Geschwindigkeiten bzw. Wege besteht. Bewegt sich der Käfig relativ zu einem Gelenkbauteil um einen bestimmten Weg x, dann bewegt sich der Käfig relativ zum anderen Gelenkbauteil um einen entsprechenden Weg x, so dass sich das Gelenkaußenteil und das Gelenkinnenteil relativ zueinander um 2·x verschieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Gelenk kann das radiale Spiel des Gelenks allein über die Kugeln 11 und die Kugellaufbahnen 7 und 8 eingestellt werden. Durch die Vermeidung einer Doppelpassung über den Käfig 9 lässt sich dieses Spiel sehr klein wählen, so dass die Kugeln 11 in den Kugellaufbahnen 7 und 8 nicht hochwandern und an deren Kanten Aufwerfungen erzeugen, welche den Käfig 9 beschädigen könnten. Die Kanten der Kugellaufbahnen 7 und 8 benötigen daher keiner aufwändige Nachbearbeitung, welche überdies den Kugelumschlingungswinkel unvorteilhaft vermindern würde.
Im Unterschied zu herkömmlichen Rzeppagelenken gleichen sich die Kugelkräfte über den Käfig in axialer Richtung aus. Damit besitzt bei einem Gelenk der vorstehend erläuterten Bauart keines der Gelenkbauteile, d. h. weder das Gelenkaußenteil, das Gelenkinnenteil noch der Käfigs, das Bestreben, seine axiale Lage relativ zu den jeweils anderen Gelenkbauteilen zu verändern. Deshalb ist es möglich, ohne präzise Führungsflächen für den Käfig auszukommen. Bei herkömmlichen Rzeppagelenken muss hingegen eine axial sehr enge Führung vorgesehen werden, da die Kugelaxialkräfte unter Drehmoment ansonsten das Gelenk verschieben und zerlegen würden. Die enge axiale Führung geht aufgrund der sphärischen Führungsflächen gezwungenermaßen mit einer engen radialen Führung einher, so dass sich eine Doppelpassung ergibt, die, wie oben bereits erläutert, bei der erfindungsgemäßen Gelenkkonfiguration vermieden wird.
Von dem vorstehend erläuterten Gleichlauffestgelenk nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind zahlreiche Abwandlungen in Bezug auf die Schrägung der Kugellaufbahnen in den einzelnen Gruppen sowie die Anordnung der Kugellaufbahnen der einzelnen Gruppen in Unfangsrichtung möglich.
Die 8 und 9 zeigen eine Kugellaufbahnanordnung eines Gleichlauffestgelenks nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, das im übrigen entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind lediglich Kugellaufbahnen 7₁' und 7₂' bzw. 8₁' und 8₂' der ersten und zweiten Gruppe vorhanden Die Schrägungswinkel δ₁ bzw. β₁ und δ₂ bzw. β₂ sind für beide Gruppen betragsmäßig gleich, jedoch dem Vorzeichen nach verschieden, so dass die einander am Gelenkaußenteil und am Gelenkinnenteil gegenüberliegenden Kugellaufbahnen sich kreuzen. Der Betrag des Schrägungswinkels liegt im Bereich von 10° bis 15°. In Umfangsrichtung sind links- und rechtsgeschrägte Kugellaufbahnen stets abwechselnd angeordnet. Bei diesem Gelenk können ferner, wie in den 12 und 13 dargestellt, die Winkelabstände der Laufbahnmitten zwischen benachbarten Kugellaufbahnen 8₁ und 8₂ in der Gelenkmittelebene alle gleich groß gewählt werden.
Die 10 und 11 zeigen eine Kugellaufbahnanordnung eines Gleichlauffestgelenks nach einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall weisen die Kugellaufbahnen 7₃'' und 8₃'' im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel einen Schrägungswinkel δ₃ ⁺, β₃ ⁺, δ₃ ^– und β₃ ^– ungleich 0 auf. Dieser Schrägungswinkel ist betragsmäßig kleiner als der Schrägungswinkel δ₁, δ₂ und β₁, β₂ der ersten und zweiten Gruppe. Liegt der Betrag des Schrägungswinkels für die erste und zweite Gruppe im Bereich von 10° bis 15°, so ist für die dritte Gruppe ein Winkelbetrag von 0° bis 9° vorgesehen.
Die einander am Gelenkinnenteil und am Gelenkaußenteil gegenüberliegenden geschrägten Kugellaufbahnen 7₃'' und 8₃'' der dritten Gruppe kreuzen sich. Zudem sind die Kugellaufbahnen 7₃'' am Gelenkaußenteil abwechselnd mit vorzeichenverschiedenen Schrägungswinkeln δ₃ ⁺ und δ₃ ^– angeordnet. Die gilt entsprechend für die Schrägungswinkel β₃ ⁺ und β₃ ^– am Gelenkinnenteil, so dass hieraus resultierende Axialkräfte am Kugelkäfig gegeneinander aufgehoben werden.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.

1: Gleichlauffestgelenk
2: Gelenkaußenteil
3: Gelenkinnenteil
4: nach innen weisende Fläche des Gelenkaußenteils
5: radial nach außen weisende Fläche des Gelenkinnenteils
7: Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
7₁: linksgeschrägte Kugellaufbahn
7₂: rechtsgeschrägte Kugellaufbahn
7₃: ungeschrägte bzw. weniger stark geschrägte Kugellaufbahn
8: Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil
8₁: rechtsgeschrägte Kugellaufbahn
8₂: linksgeschrägte Kugellaufbahn
8₃: ungeschrägte Kugellaufbahn
9: Käfig
10: Fenster
11: Kugel
12: Außenumfangsfläche des Käfigs
13: Innenumfangsfläche des Käfigs
A: Längsachse des Gelenkaußenteils
B: Längsachse des Gelenkinnenteils
C: Mittelpunkt des Bogens P
d: Kugeldurchmesser
D: Wälzkreisdurchmesser
E: Gelenkmittelebene
M: Beugezentrum des Gelenks
P: Bogen, der durch die möglichen Aufenthaltsorte der Mittelpunkte einer Kugel definiert wird
R: Radius des Bogens P
α_i: Schrägungswinkel der Kugellaufbahnen der i-ten Gruppe am Gelenkaußenteil
β_i: Schrägungswinkel der Kugellaufbahnen der i-ten Gruppe am Gelenkinnenteil
γ₁: Winkelabstand zwischen Kugellaufbahnmitten ersten und zweite Gruppe in der Gelenkmittelebene
γ₂: Winkelabstand zwischen den Laufbahnmitten einer Kugellaufbahn der ersten oder zweiten Gruppe und einer Kugellaufbahn der dritten Gruppe in der Gelenkmittelebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004018777 A1 [0004]
- DE 102004062843 A1 [0005]
- DE 10353608 A1 [0005]
- DE 3818730 A1 [0005]
- DE 3102871 A1 [0005]
- DE 102004031 A1 [0005]
- WO 01/61203 A2 [0006]

Claims

Gleichlauffestgelenk, umfassend: ein Gelenkaußenteil (2) mit einer Längsachse (A) und mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen (7, 7₁ , 7₂ , 7₃ ) ein Gelenkinnenteil (3) mit einer Längsachse (B) und mit an seinem Außenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen (8, 8₁ , 8₂ , 8₃ ), wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln (11), sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil (2) und den Gelenkinnenteil (3) angeordneten Käfig (9), der in Umfangsrichtung Fenster (10) zur Aufnahme jeweils einer Kugel (11) aufweist, wobei das Gelenkaußenteil (2) eine erste Gruppe von Kugellaufbahnen (7₁ ) aufweist, die schräg zur Längsachse (A) des Gelenkaußenteils (2) verlaufen, sowie eine zweite Gruppe von Kugellaufbahnen (7₂ ) mit entgegengesetzter Schrägung, wobei den geschrägten Kugellaufbahnen (7₁ , 7₂ ) am Gelenkaußenteil (2) geschrägte Kugellaufbahnen (8₁ , 8₂ ) am Gelenkinnenteil (3) gegenüberliegen, so dass sich am Gelenkaußenteil (2) und Gelenkinnenteil (3) einander gegenüberliegende geschrägte Kugellaufbahnen kreuzen, und wobei die Kugellaufbahnen (7, 7₁ , 7₂ , 8, 8₁ , 8₂ ) jeweils derart gekrümmt sind, dass der durch alle möglichen Aufenthaltsorte der jeweiligen Kugel (11) gebildete Bogen (P) einen Krümmungsmittelpunkt (C) jenseits der Längsachse (A; B) des Gelenkaußenteils (2) bzw. Gelenkinnenteils (3) aufweist.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkaußenteil (2) eine dritte Gruppe von Kugellaufbahnen (7₃ ) aufweist, die in die Längsachse (A) einschließenden Radialebenen verlaufen, wobei den in Radialebenen des Gelenkaußenteils (2) verlaufenden Kugellaufbahnen (7₃ ) an dem Gelenkinnenteil (3) Kugellaufbahnen (8₃ ) gegenüberliegen, die in Radialebenen des Gelenkinnenteils (3) verlaufen, und wobei die Kugellaufbahnen (7₃ , 8₃ ) der dritten Gruppe jeweils derart gekrümmt sind, dass der durch alle möglichen Aufenthaltsorte der jeweiligen Kugel (11) gebildete Bogen (P) einen Krümmungsmittelpunkt (C) jenseits der Längsachse (A; B) des Gelenkaußenteils (2) bzw. Gelenkinnenteils (3) aufweist.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei ungeschrägte Kugellaufbahnen (7₃ ; 8₃ ) in einer gemeinsamen Radialebene verlaufen.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkaußenteil (2) eine dritte Gruppe von Kugellaufbahnen aufweist, die schräg zur Längsachse (A) des Gelenkaußenteils (2) verlaufen, denen am Gelenkinnenteil (3) ungekehrt geschrägte Kugellaufbahnen gegenüberliegen, so dass sich am Gelenkaußenteil (2) und Gelenkinnenteil (3) einander gegenüberliegende geschrägte Kugellaufbahnen der dritten Gruppe kreuzen, wobei der Schrägungswinkel der Kugellaufbahnen der dritten Gruppe ungleich dem Schrägungswinkel der ersten und zweiten Gruppe ist, und wobei die Kugellaufbahnen der dritten Gruppe jeweils derart gekrümmt sind, dass der durch alle möglichen Aufenthaltsorte der jeweiligen Kugel (11) gebildete Bogen (P) einen Krümmungsmittelpunkt (C) jenseits der Längsachse (A; B) des Gelenkaußenteils (2) bzw. Gelenkinnenteils (3) aufweist.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellaufbahnen der dritten Gruppe einen kleineren Schrägungswinkel als die Kugellaufbahnen der ersten und zweiten Gruppe aufweisen.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kugellaufbahnen (7₁ , 7₂ ; 8₁ , 8₂ ) mit entgegengesetzter Schrägung in Umfangsrichtung unmittelbar benachbart angeordnet sind.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung auf zwei geschrägte Kugellaufbahnen (7₁ , 7₂ ; 8₁ , 8₂ ) der ersten und zweiten Gruppe eine Kugellaufbahn (7₃ ; 8₃ ) der dritten Gruppe folgt.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 1, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass links- und rechtsgeschrägte Kugellaufbahnen in Umfangsrichtung stets abwechselnd angeordnet sind
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer Kugellaufbahn der ersten Gruppe in Umfangsrichtung eine weitere Kugellaufbahn der ersten Gruppe bzw. einer Kugellaufbahn der zweiten Gruppe eine weitere Kugellaufbahn der zweiten Gruppe diametral gegenüberliegt.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Gelenkmittelebene (E), welche sich durch das Beugezentrum (M) des Gelenks erstreckt und bei ungebeugtem Gelenk senkrecht zu den Längsachsen (A; B) des Gelenkinnenteil (2) und des Gelenkaußenteils (3) verläuft, der Winkelabstand (γ₁) der Laufbahnmitten zwischen benachbarten Kugellaufbahnen (7₁ , 7₂ ; 8₁ , 8₂ ) der ersten und zweiten Gruppe größer ist, als der Winkelabstand (γ₂) zwischen einer Kugellaufbahn (7₁ , 7₂ ; 8₁ , 8₂ ) der ersten oder zweiten Gruppe und einer benachbarten Kugellaufbahn (7₃ ; 8₃ ) der dritten Gruppe.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kugeldurchmesser (d) zu Wälzkreisdurchmesser (D) in Gelenkmitte bei ungebeugtem Gelenk im Bereich von 0,25 bis 0,40 liegt.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kugeldurchmesser (d) zu Krümmungsradius (R) des gekrümmten Bogens (P) der Kugelmittelpunkte im Bereich von 0,20 bis 0,60 liegt.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkräfte der Kugeln (11) am Käfig (9) im wesentlichen ausgeglichen sind.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Käfig (9) und einem Gelenkbauteil, d. h. dem Gelenkaußenteil (2) oder dem Gelenkinnenteil (3) eine Spielpassung vorgesehen ist und der Käfig (9) radial von dem jeweils anderen Gelenkbauteil beabstandet ist.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (9) gegenüber einem der Gelenkbauteile, d. h. gegenüber dem Gelenkaußenteil (2) oder dem Gelenkinnenteil (3), axial durch eine Spielpassung in seiner Axialbewegbarkeit beschränkt, ist.