DE2625960B1

DE2625960B1 - Kreuzzapfengelenk

Info

Publication number: DE2625960B1
Application number: DE2625960A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl-Ing Armasow; Hans Lindenthal
Original assignee: Voith Transmit GmbH
Current assignee: Voith Transmit GmbH
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1976-06-10
Publication date: 1977-11-03
Also published as: JPS52153054A; FR2354477A1; US4144724A; GB1539497A; IT1083252B; DE2625960C2; JPS5624812B2; FR2354477B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreuzzapfengelenk, insbesondere für Gelenkwellen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Kreuzzapfengelenk ist bekannt aus der CH-PS 3 50 155. Der dort beschriebenen Bauweise liegt die Aufgabe zugrunde, die Zentrierung der durch das Kreuzzapfengelenk zu verbindenden Wellen zu verbessern. Hierzu ist dort wenigstens eines der Wälzlager jedes Gabelauges als Kegelnadellager ausgebildet. Dementsprechend weisen die Kreuzzapfen konische Verjüngungen auf.

Dagegen befaßt sich die hier vorliegende Erfindung mit dem Problem, für beengte Platzverhältnisse ein extrem hoch belastbares Kreuzzapfengelenk zu schaffen. Solche Kreuzzapfengelenke werden für Antriebe von Schwermascfiinen, z. B. von Walzwerken, benötigt.

Bei der Konstruktion solcher Kreuzzapfengelenke sind die folgenden, einander zum Teil zuwiderlaufenden Forderungen zu erfüllen:

A) Für ein vorgegebenes, von dem Kreuzzapfengelenk zu übertragendes Drehmoment soll der äußerste Rotationsdurchmesser des Kreuzzapfengelenks (die Außenabmessungen in radialer Richtung) möglichst klein sein.

B) Die zur Lagerung des Kreuzstückes in den Gelenkgabeln dienenden Wälzlager sollen eine möglichst hohe Lebensdauer aufweisen.

C) Zur Vereinfachung des Aufbaues und zur Erzielung einer möglichst hohen Torsionssteifigkeit, auch bei großem Beugungswinkel, sollen die Gelenkgabeln einteilig ausgeführt werden.

Die gängigen Bauweisen bekannter Kreuzzapfengelenke (z. B. DT-GM 69 08 115) stellen in der Regel eine Kompromißlösung dar. Das heißt, man verwendet einteilige Gelenkgabeln und gewinnt dadurch den Vorteil der Einfachheit und hoher Torsionssteifigkeit. Damit jedoch das Kreuzstück mit seinen Kreuzzapfen in die Gelenkgabeln einführbar ist, müssen die Kreuzzapfen verhältnismäßig kurz ausgeführt und die zur Lagerung des Kreuzstückes in den Gelenkgabeln dienenden Lager verhältnismäßig weit radial innen (in bezug auf die Drehachsen der Gelenkgabeln) angeordnet werden. Dies hat zur Folge, daß der Bereich zwischen dem radial äußeren Ende jedes Lagers und dem äußersten Rotationsdurchmesser nicht für die Drehmomentübertragung ausgenutzt werden kann. Das heißt, zumindest eine der Forderungen A oder B kann nicht optimal erfüllt werden.

Umgekehrt kann bei Verwendung geteilter Gelenkgabeln (Zeitschrift »Antriebstechnik« 13 [1974], Seiten 94 bis 100, oder DT-OS 19 14 039) zwar die Forderung A erfüllt werden; denn hierbei ist das Einsetzen des Kreuzstückes in die Gelenkgabeln problemlos, auch wenn die Kreuzzapfen lang sind und die Lager weit nach außen an den äußersten Rotationsdurchmesser gerückt werden. Durch die Teilung der Gelenkgabeln verlieren diese jedoch weitgehend ihre Steifigkeit, insbesondere wenn das Kreuzzapfengelenk mit einem verhältnismäßig großen Beugungswinkel betrieben wird. Dies hat zur Folge, daß unter hoher Last die Gelenkgabeln einschließlich der Lagerbuchsen deformiert werden und somit die Belastbarkeit der Lager oder deren Lebensdauer reduziert wird. Mit anderen Worten: Der aufgrund der Anordnung der Lager nahe dem äußersten Rotationsdurchmesser theoretisch erzielte Gewinn an übertragbarem Drehmoment geht durch die geringere Steifigkeit der Gelenkgabeln weitgehend wieder verloren. Zugleich ist die in der Regel geforderte Torsionssteifigkeit nicht mehr gegeben.

Bei einem ebenfalls bekannten Kreuzzapfengelenk (DT-OS 17 75 179) besteht jede Gelenkgabel aus zwei ineinander gesteckten Teilen, die miteinander verschweißt werden und gemeinsam der Kraftübertragung dienen. Das Innere dieser beiden Teile weist zum Einführen des Kreuzstückes Aussparungen oder Abschrägungen auf, die sich von den Gabelenden in den Bereich der Lager erstrecken. Hierdurch können zwar die Lager verhältnismäßig weit radial außen angeordnet werden, um damit das übertragbare Drehmoment zu erhöhen. Diese bekannte Bauweise ist jedoch offensichtlich nur für leichte Gelenkwellen einsetzbar.

Ein anderer bekannter Versuch (DT-OS 17 75 179, Seite 4), das aufgezeigte Problem zu lösen, besteht darin, das Kreuzstück mehrteilig auszuführen, wobei die Kreuzzapfen erst beim Zusammenbau des Gelenkes in ein Mittelteil des Kreuzstückes eingesetzt werden. Hierdurch wird jedoch die Herstellung sehr aufwendig, und die Torsionssteifigkeit läßt zu wünschen übrig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion eines Kreuzzapfengelenkes anzugeben, die es unter Beibehaltung einteiliger Gelenkgabeln und eines einteiligen Kreuzstückes gestattet, für ein vorgegebenes Drehmoment den äußersten Rotationsdurchmesser kleiner auszuführen als bei bekannten Kreuzzapfengelenken (oder die es gestattet, bei einem vorgegebenen äußersten Rotations-

durchmesser ein höheres Drehmoment zu übertragen).

Diese Aufgabe wird durch die Anwendung der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfinder haben erkannt, daß der bei bekannten Kreuzzapfengelenken mit einteiligen Gelenkgabeln für die Drehmomentübertragung nicht ausgenutzte, zwischen dem äußeren Ende der Lagerung und dem äußersten Rotationsdurchmesser liegende Bereich unter gewissen Umständen doch zur Drehmomentübertragung herangezogen werden kann. Die Schwierigkeit lag hierbei darin, das Kreuzstück derart auszuführen, daß es unter Beibehaltung einteiliger Gelenkgabeln noch in diese einführbar ist trotz einer etwas größeren Länge der Kreuzzapfen. Hierzu wäre es denkbar gewesen, nach dem Einführen des Kreuzstückes in die Gelenkgabeln ein Verlängerungsstück in jeden Kreuzzapfen einzusetzen. Das Verlängerungsstück hätte zur Abstützung eines zusätzlichen Wälzlagers dienen können. Es hätte aber eine lösbare Verbindung zwischen dem Kreuzstück und den Verlängerungsstücken vorgesehen werden müssen, um das Kreuzstück bei Bedarf wieder ausbauen zu können. Die lösbare Verbindung wäre hierbei im Betrieb durch ein — unter Umständen wechselndes — Biegemoment außerordentlich hoch belastet gewesen.

Statt dessen ist nun gemäß der Erfindung von dem aus der CH-PS 3 50155 bekannten Kreuzzapfengelenk ausgegangen worden, dessen Kreuzstück einteilig ist und nach außen hin konisch verjüngte Kreuzzapfen aufweist. Hierdurch ist zwar das Kreuzstück trotz verhältnismäßig großer Länge der Kreuzzapfen in einteilige Gelenkgabeln einführbar. Jedoch zeigte sich, daß jene bekannte Bauweise zur Lösung der hier vorliegenden Aufgabe nicht geeignet ist, weil nämlich mit Kegelnadel- oder auch mit Kegelrollenlagern eine entscheidende Erhöhung des übertragbaren Drehmomentes nicht erzielbar ist. Es wurde vielmehr erkannt, daß die gestellte Aufgabe nur dadurch lösbar ist, daß in an sich bekannter Weise ausschließlich Zylinderrollenlager verwendet werden, wobei die Anwendung dieser Maßnahme und gleichzeitig die Einführbarkeit des einteiligen Kreuzstückes in einteilige Gelenkgabeln durch eine besondere Gestaltung der Kreuzzapfen ermöglicht wird, nämlich durch eine stufenweise Verjüngung der Kreuzzapfen. Man muß hierbei bewußt darauf verzichten, daß die Wälzlager außer zur Drehmomentübertragung auch noch zum Zentrieren der durch das Kreuzzapfengelenk zu verbindenden Wellen (oder mit anderen Worten: zum radialen Fixieren des Kreuzstückes) herangezogen werden. Vielmehr werden hierzu, wie an sich bekannt, separate Axiallager vorgesehen.

Durch die Erfindung können nunmehr auch dort Gelenkwellen eingesetzt werden, wo dies bisher aufgrund beengter Platzverhältnisse und der Höhe des zu übertragenden Drehmoments nicht möglich war. Dies ist von großer Bedeutung z. B. beim Antrieb von Walzwerken. Dort ist bekanntlich der äußerste Rotationsdurchmesser der an den Walzenantriebszapfen angeordneten Kreuzzapfengelenke durch den vorgegebenen Walzendurchmesser begrenzt

Durch die Formulierung im Anspruch 1, wonach zumindest das radial am weitesten außen liegende Wälzlager auf einem verjüngten Bereich des Kreuzzapfens ruht, soll zum Ausdruck gebracht werden, daß das Kreuzstück unter Umständen derart gestaltet werden kann, daß jeder Kreuzzapfen zum Beispiel zwei abgestufte Bereiche mit jeweils kleinerem Durchmesser aufweisen kann, wenn dies im Interesse der Einführbarkeit des Kreuzstückes in die Gelenkgabel erforderlich ist. Hierbei kann jedes der genannten Bereiche zur Abstützung eines Wälzlagers dienen. In der Regel reicht es aber aus, an jedem Kreuzzapfen nur eine einzige Abstufung vorzusehen. Dieser radial am weitesten außen liegende Bereich des Kreuzzapfens wird in den meisten Fällen zur Abstützung eines einzigen Wälzlagers, unter Umständen jedoch auch zur Abstützung von zwei nebeneinanderliegenden Wälzlagern dienen, die durchaus auch unterschiedliche Rollbahndurchmesser haben können.

Die einem Kreuzzapfenbereich mit verkleinertem Durchmesser zugeordneten Wälzlager können kleinere Rollbahndurchmesser aufweisen als die übrigen Wälzlager, z. B. um sie an die Gestalt des Kreuzzapfens anzupassen und/oder um Platz für die Befestigung der Lagerhülse und gegebenenfalls eines getrennten Lagerdeckels zu gewinnen. Wenn man dagegen gemäß Anspruch 2 sämtliche Wälzlager mit gleichgroßen Rollbahndurchmessern ausführt, gewinnt man den Vorteil einer höheren Gesamttragzahl. Bei dieser Ausführung wird es stets erforderlich sein, das bzw. die radial außen liegenden Wälzlager über einen Wälzlagerinnenring auf dem mit verkleinertem Durchmesser ausgeführten Bereich des Kreuzzapfens abzustützen. Ein solcher Wälzlagerinnenring kann aber auch für sämtliche zur Drehmomentübertragung dienenden Lager vorgesehen werden, und zwar als auswechselbares Verschleißteil, so daß das gesamte Kreuzstück vor Verschleiß geschützt ist.

Ein zur (in bezug auf die Achsen der Gelenkgabeln) radialen Fixierung des Kreuzstückes dienendes Axialdrucklager kann in der herkömmlichen Weise im radial äußersten Bereich des Gabelauges angeordnet werden. Um jedoch dort mehr Platz für die zur Drehmomentübertragung dienenden Lager zu gewinnen, kann es besonders vorteilhaft sein, das Axialdrucklager im radial inneren Bereich des Gabelauges anzuordnen. Eine besonders zweckmäßige Gesamtkombination mit radial innen angeordneten Axialdrucklagern ist im Anspruch 3 beschrieben. Danach wird eine (in bezug auf die Gelenkgabelachsen) in radialer Richtung wirkende Kraft von dem genannten Axialdrucklager über den Außenring direkt in die Gelenkgabel übertragen (bei anderen Konstruktionen muß hiergegen die Radialkraft mittels Schrauben auf die Gelenkgabel übertragen werden). Zugleich kann das radial am weitesten außen liegende Wälzlager nicht nur besonders nahe an den äußersten Rotationsdurchmesser gerückt werden. Es können auch dessen Rollbahndurchmesser verhältnismäßig groß gewählt werden, so daß eine besonders hohe Steigerung des übertragbaren Drehmomentes erreicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 ein Kreuzzapfengelenk teilweise im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Teilansicht in Richtung des Pfeiles A der i

F i g. 3 bis 5 gegenüber F i g. 1 und 2 abgewandelte Ausführungen der Kreuzzapfenlagerung im Längsschnitt

Von dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Kreuzzapfengelenk ist eine der beiden einteiligen Gelenkgabeln mit 10, deren Gabelaugen mit 11 und 12 sowie das hierin gelagerte Kreuzstück mit 13 bezeichnet. Das Kreuzstück hat in der üblichen Weise vier Kreuzzapfen 14. Die

andere Gelenkgabel ist in der Zeichnung nicht sichtbar. Jeder Kreuzzapfen ist um ein mit kleinerem Durchmesser ausgeführtes Endstück 14a länger als die Kreuzzapfen bekannter Kreuzzapfengelenke.

Zur Lagerung jedes Kreuzzapfens 14 in dem dazugehörenden Gabelauge 11 oder 12 dient in der Hauptsache ein fünfreihiges Zylinderrollenlager 15 und zusätzlich ein radial außenliegendes einreihiges Zylinderrollenlager 16, das einen kleineren Innendurchmesser als das Lager 15 aufweist. Bei den Lagern 15 und 16 ist ein gemeinsamer, abgesetzter Innenring 17 zugeordnet. Ein Lagerdeckel 18 dient zugleich als Außenring für das radial außenliegende Lager 16. Ein Außenring für das fünfreihige Rollenlager 15 ist mit 19 bezeichnet. Der Lagerdeckel 18 und der Außenring 19 sind durch Schrauben 9 miteinander verbunden. Zwischen diesen beiden Teilen, die zusammen eine Lagerhülse bilden, ist ein Stützring 20 gespannt, der in das Gabelauge 11 eingreift, so daß hierdurch die Lagerhülse 18, 19 in radialer Richtung fixiert ist. Der Ausdruck »radial« ist stets in bezug auf die Achse 8 der Gelenkgabel 10 zu verstehen.

Zur radialen Fixierung des Kreuzstückes 13 ist ein der radial inneren Stirnfläche des Außenringes 19 zugeordnetes Axialdrucklager 21 vorgesehen. Statt dessen ist es auch möglich, das radial außenliegende Lager 16 als ein Kegelrollenlager auszubilden. Die gesamte Lagerung ist durch einen Dichtring 22 nach außen abgedichtet.

Mit strichpunktierten Linien ist das Kreuzstück 13 während des Einführens in die Gelenkgabel 10 dargestellt Um das Einführen zu erleichtern, weisen die Enden der Gabelaugen 11 und 12 Ausnehmungen 23 auf. Aufgrund der Tatsache, daß die Kreuzzapfen 14 in ihrem radial äußersten Bereich nur einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen, können die Ausnehmungen 23 verhältnismäßig klein gehalten werden, so daß die Steifigkeit der Gelenkgabeln keine Einbuße erleidet.

Aus der F i g. 1 ist noch ersichtlich, daß der Innenring 17 eine parallel zur Achse der Lager verlaufende Gewindebohrung 27 aufweist. Diese dient zu dem Zweck, daß mit Hilfe einer Abdrückschraube der Innenring 17 von dem Kreuzzapfen 14,14a abgezogen werden kann, falls das Kreuzzapfengelenk demontiert werden muß.

In Fig.2 ist mit einer strichpunktierten Linie der äußerste Rotationsdurchmesser D eingezeichnet, der bei der Konstruktion des Kreuzzapfengelenkes keinesfalls überschritten werden darf.

In F i g. 3 ist die Gelenkgabel mit 30, das Gabelauge mit 31, eine einteilige Lagerbüchse mit 38, der Kreuzzapfen mit 34, die das Drehmoment übertragenden Wälzlager mit 35 und 36, ein Innenring für das radial außenliegende Wälzlager 36 mit 37, ein Axialdrucklager mit 33 und ein Dichtring mit 32 bezeichnet. Aufgrund der einteiligen Ausführung der Lagerhülse 38 kann das radial außenliegende Wälzlager 36 in Vergleich zu Fig. 1 mit größeren Rollbahndurchmessern ausgeführt werden (Erhöhung der Tragzahl). Allerdings kann hierdurch die radiale Fixierung der Lagerhülse 38 nicht mehr wie in F i g. 1 durch einen Stützring 20 erfolgen; statt dessen ist die Lagerhülse über eine Schraubenflanschverbindung 39 am Gabelauge 31 befestigt.

Um eine solche Schraubenverbindung zu vermeiden (Platzbedarf mit Schwächung des Gabelauges 31; Schrauben 39 auf Zug beansprucht), ist in Fig.4 zur radialen Fixierung der dort verwendeten, ebenfalls einteiligen Lagerhülse 48 ein im radial inneren Bereich des Gabelauges 41 angeordneter Stützring 49 vorgesehen. Dieser Stützring ist gemäß F i g. 4 als sogenannter Lamellenring ausgebildet, dessen spiralige Windungen ^J5 durch Verschieben in Umfangsrichtung nacheinander in die betreffenden Nuten eingeführt werden können. Anstelle eines solchen Lamellenringes kann auch ein federnder Stützring oder ein Stützsegment verwendet werden, die die Lagerhülse 48 nur auf einem Teil ihres Umfanges umfassen, und zwar in dem nach außen offenen Bereich der Gelenkgabel 40.

Eine gemäß Fig.4 in radialer Richtung fixierte Lagerhülse 48 kann ohne weiteres mit der Ausführung der Kreuzzapfenlagerung 33 bis 37 gemäß Fig.3 ²S kombiniert werden. Demgegenüber unterscheidet sich die in Fig.4 dargestellte Kreuzzapfenlagerung dadurch, daß der Kreuzzapfen 44 in seinem radial äußeren Bereich zweimal abgestuft ist Hierdurch kann unter Umständen das Einführen des Kreuzzapfens 44 in die Gelenkgabel 40 erleichtert oder ermöglicht werden. Den beiden radial außenliegenden und zur Drehmomentübertragung dienenden Wälzlagern 46 und 46a ist je ein Innenring 47 und 47a zugeordnet. Es ist aber auch möglich, die beiden Innenringe 47 und 47a zu einem gemeinsamen Innenring zusammenzufassen.

Das Axialdrucklager 43 ist in F i g. 4 — in Übereinstimmung mit F i g. 3 — im radial äußersten Bereich der Gelenkgabel angeordnet. Statt dessen ist es auch möglich, das Axialdrucklager — ähnlich wie in F i g. 1 — im radial inneren Bereich der Gelenkgabel anzuordnen. Dadurch wird es möglich, die zur Drehmomentübertragung dienenden Wälzlager noch weiter in radialer Richtung nach außen zu rücken, wodurch das übertragbare Drehmoment noch weiter gesteigert werden kann. Gemäß Fig.5 ist die Gelenkgabel mit 50, das Gabelauge mit 51, eine einteilige Lagerhülse mit 58, der Kreuzzapfen mit 54, die zur Drehmomentübertragung dienenden Wälzlager mit 55 und 56, ein Axialdrucklager mit 53 und eine Dichtung mit 52 bezeichnet. Sämtliche Wälzlager sind hier direkt, d. h. ohne Innenring, auf dem Kreuzzapfen abgestützt. Die Lagerhülse 58 ist in Anpassung an den Kreuzzapfen 54 abgesetzt, so daß im radial äußeren Bereich Platz gewonnen wird für einen Stützring 59, der zur radialen Fixierung der Lagerhülse 58 dient

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kreuzzapfengelenk mit zwei einteiligen Gelenkgabeln und einem Kreuzstück, das mit seinen Kreuzzapfen in je zwei Gabelaugen der beiden Gelenkgabeln mittels Wälzlager gelagert ist, wobei in jedem Gabelauge mindestens zwei Wälzlager radial, d. h. in Richtung der Kreuzzapfenachse, nebeneinander angeordnet sind und von den Wälzlagern jedes Gabelauges zumindest das radial am weitesten außenliegende Wälzlager auf einem verjüngten Kreuzzapfen-Bereich abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreuzzapfen (14,14a; 34; 44; 54) im Bereich seiner Wälzlager (15, 16; 35, 36; 45, 46, 46a; 55, 56), die sämtliche als Zylinderrollenlager ausgebildet sind, stufenweise verjüngt ist.

2. Kreuzzapfengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche zur Drehmomentübertragung dienenden Wälzlager (35, 36; 45, 46, 46a,} die gleichen Rollbahndurchmesser aufweisen.

3. Kreuzzapfengelenk, worin den Lagern jedes Gabelauges eine Lagerhülse zugeordnet ist, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerhülse (18, 19) geteilt ist in einen radial außenliegenden Lagerdeckel (18), der das radial am weitesten außenliegende Wälzlager (16) aufnimmt, und in einen den anderen Lagern (15) zugeordneten Außenring (19), wobei der Lagerdeckel ausschließlieh an dem Außenring befestigt ist, und daß zur radialen Fixierung des Lagerdeckels und des Außenringes zwischen diesen ein Stützring (20) gespannt ist, der in das Gabelauge (11) eingreift.

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