DE4102001C2 - Gleichlaufdrehgelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufdrehgelenk mit einem hohlen Außenteil, mit drei am Umfang verteilten in der Hauptrichtung axial verlaufenden konkaven Bahnen, einem im Außenteil befindlichen Innenteil mit drei in der Hauptrichtung radial nach außen gerichteten Zapfen, mit auf jedem Zapfen einer um dessen Längsachse drehbar gelagerten konvexen kugeligen Rolle, welche von der betreffenden Bahn des Außenteils geführt und zu dieser schwenkbar angeordnet.

Bei der Rotation des gebeugten Gelenkes bewegt sich die Rolle ihrer Bahn entlang mit einer überlagerten Schwenkbewegung, wodurch eine sogenannte Bahnreibung zustande kommt. Die Bahnreibung besteht in der Hauptsache aus zwei Komponenten, der Bahnreibkraft, welche durch die lineare Bewegung der Rolle verursacht wird und dem Reibmoment der Bohrreibung durch die Schwenkbewegung.

Alle Reibkräfte aller drei Rollen resultieren in einer periodischen Axialkraft dritter Ordnung. Wird das Gelenk bspw. im Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt, so werden unerwünschte Vibrationen, bzw. Erschütterungen durch die periodischen Axialkräfte, auch Schüttel­ kräfte genannt, verursacht. Dabei wirkt die Axialkraft der Bohr­ reibung in der entgegengesetzten Richtung der Schüttelkräfte. Erhöht man die Bohrreibung, so werden die resultierenden Schüttelkräfte reduziert.

Im Sinne der Komfortoptimierung ist die Leichtgängigkeit eines Gelenkes unter Umständen mindestens so wichtig, wie die Reduzierung der Schüttelkräfte. Je leichtgängiger das Gelenk, je besser die Isolierung der Vibrationen, die bspw. vom Verbrennungsmotor her­ rühren. Ohne Drehmomentübertragung ist die Leichtgängigkeit des Gelenkes beim stehenden Fahrzeug ebenso wichtig, denn dadurch wird das sogenannte Standschütteln des laufenden Motors mehr oder weniger isoliert.

Die DE-OS 21 57 372 zeigt solche Gelenke, bei denen die Rolle aus zwei Rollenhälften besteht, welche mittels einer Feder gelenkradial auseinander gegen die Bahnflanken gedrückt werden. Bei größeren Drehmomenten sollen die Rollenhälften starr verbunden werden, wobei eine Linienberührung mit einer kurzen Unterbrechung vorliegt.

Die DE-OS 22 34 236 zeigt eine ähnliche Ausführung, in der ein Zweipunktkontakt bei größeren Drehmomenten dadurch vorkommt, daß wenigstens eine Kontur der Kontaktflächen modifiziert wird. In einer weiteren Ausbildung ist eine Längsnut im Bahngrund vorgesehen. Damit soll ein übermäßiger Druck auf den innenliegenden, spitzwinkligen Kanten der Rollenhälften verhindert und die freie Schwenkbeweglich­ keit der Rolle sichergestellt werden.

Die Teilung der Rolle in zwei zueinander drehbare Hälften kann zu einer erheblichen Reduzierung der Bohrreibung führen und somit zur Erhöhung der Schüttelkräfte, zumindest zu ihrem instabilen Verhalten. Die Schwenkbewegung der Rolle wird dabei - anstelle in einem entge­ gengesetzten Gleiten der Rolle auf den Bahnflanken - in einer relativen Verdrehung der Rollenhälften im Sinne einer Rutschkupplung umgesetzt, so daß nur eine geringe Bohrreibung zustande kommt. Die Kraftkomponente, welche die Rollenhälften zusammendrückt, ist nämlich erheblich niedriger, als die normale Übertragungskraft zwischen den Rollenhälften und den Bahnflanken. Ferner ist der auf die Verdrehung wirkende Hebelarm der "Rutschkupplung" kleiner als der der Bahnflan­ ken. Außerdem wird ein unerwünschter Wärmestau durch die Verdrehung der Rollenhälften gebildet.

Nachteilig bei diesen Ausführungsformen ist ferner die Teilung der Rolle, welche zu höheren Ungenauigkeiten und Mehrkosten führt. Darüberhinaus, sofern keine oder kleinere Drehmomente übertragen werden, ist ein Vierpunktkontakt zwischen der Rolle und der Bahn gegeben, wodurch eine unerwünschte Schwergängigkeit des Gelenkes verursacht wird.

Die Konformität der Punktberührung, welche bei größeren Drehmomenten bei dem Gelenk nach der DE-OS 22 34 236 vorkommt, ist entscheidend geringer im Vergleich zu der Konformität einer Linienberührung. Die Flächenpressung ist dadurch entscheidend höher, der Verschleiß und die Gebrauchsdauer erheblich schlechter. Der Aufbau eines trennenden Schmiermittelfilmes wird dabei reduziert, die Reibwerte der Bahn­ reibung erhöht und die Leichtgängigkeit des Gelenkes herabgesetzt.

Die DE 37 10 827 A1 zeigt eine Gelenkausführung mit einteiligen Rollen und zwei Punktkontakten, wodurch eine vermeintlich hohe Kantenbelastung des klassischen Gelenks an den Planflächen der Rollen vermieden werden soll. Die zwei naheliegenden Punktkontakte sollen zudem die Herabsetzung der Bohrreibung bewirken, womit die Schüttel­ kräfte angeblich reduziert werden sollen. Die Punktkontakte sind jedoch, wie zuvor geschildert, mit einer Erhöhung der Flächenpres­ sung und einer Reduzierung des Schmiermittelfilmes nachteilig behaftet. Beim klassischen Gelenk liegt zudem die höchste Flächen­ pressung im Bereich der Rollenmitte und nicht im Bereich der Planflächen. Außerdem führt die Herabsetzung der Bohrreibung zu einer Erhöhung und nicht zur Herabsetzung der Schüttelkräfte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile zu beheben und eine Reduzierung der periodischen Axial­ kräfte auf sehr einfache Weise zu erzielen.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Rolle einteilig ausgeführt ist und mit einer Linienberührung in die Bahn eingreift, und im Bereich ihrer Scheitelebene mit einer konkaven, geraden oder konvexen Abflachung des Profiles der Rolle ausgebildet ist, und/oder die Bahn in ihrem Grundbereich mit einer Einkerbung versehen ist.

Die einteiligen Rollen sind stabiler, genauer und kostengünstiger als die geteilten. Ein instabiles Verhalten der Bohrreibung wird dadurch vermieden. Ohne Drehmomentübertragung kann jegliche mechanische Reibung zugunsten der Leichtgängigkeit durch das Vorsehen von diametralen Spielen der Rolle in den Bahnen gewährleistet werden. Durch die Linienberührung wird die günstigste Konformität mit den niedrigsten Reibwerten der Bahnreibung erreicht, auch wenn die Kontaktlänge durch die Abflachung der Rolle oder durch die Einkerbung der Bahnen verkürzt wird. Bei einer Halbierung der Berührungslinie reduziert sich die Stärke des trennenden Schmiermittelfilmes bspw. lediglich um etwa 10%. Andererseits läßt sich durch eine Erhöhung der Breite der Rollen bzw. der Bahnen die gesamte Länge der Linienbe­ rührung in weiten Grenzen kompensieren oder auch erhöhen, ebenfalls auf einfache Weise. Niedrige Reibwerte der Bahnreibung sind gegenüber höheren zu bevorzugen, denn es geht hier nicht um die Erhöhung der Reibwerte schlechthin, sondern um die Erhöhung der Bohrreibung, vorzugsweise bei niedrigen Reibwerten - nicht zuletzt wegen der Leichtgängigkeit des Gelenks.

Der Erfindungsgedanke geht dahin, die Linienberührung dort zu unterbrechen, wo die Flächenpressung ansonsten am höchsten wäre. Somit wird die Bohrreibung maßgeblich erhöht, die periodische Axialkraft entsprechend reduziert.

Die Abflachung des Profiles der Rolle kann konkav, gerade oder konvex ausgebildet werden. Ein konvexer Übergang kann auch derart ausge­ führt werden, daß das ganze Profil der Rolle unter Umständen zum Tragen kommen kann, bspw. bei der maximalen Belastung, allerdings mit einer geringen Hertz'schen Pressung im abgesetzten Bereich. Dadurch werden die Trag- bzw. Verschleißbilder übergangsloser bzw. gleich­ mäßigen.

In Ausbildung des Erfindungsgedankens können die kugeligen Rollen mit einem Krümmungsradius, der gleich oder geringfügig kleiner ist als der der Bahnen ausgebildet sein.

Dadurch wird sichergestellt, daß keine allzu hohe Kantenpressung und Beschädigung der Laufflächen an den Planflächen der Rollen bzw. an den Bahnkanten vorkommt, dort wo die größte Schwenkbewegung vollzogen wird.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Breite der Abflachung in etwa einem Drittel der Rollenbreite entsprechen. Hierdurch wird die Bildung des trennenden Schmiermittelfilmes nur geringfügig berührt, die Flächenpressung ist noch ausgewogen.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann die konkave Abflachung der Rolle als Umfangsnut und/oder die Einkerbung der Bahn als Längsnut ausgebildet werden.

Es wird in Fortsetzung des Erfindungsgedankens bei einem Gleichlauf­ drehgelenk gemäß Oberbegriff des Anspruchs 5 vorgeschlagen, daß zu den Stirnseiten der Rolle hin, der senkrechte Abstand von der Rollenachse zum Profil der Rolle kleiner ist als zu der gedachten Kugeloberfläche, welche die Rolle umfängt, und daß die Rolle bei gestrecktem Gelenk mit einer Linienberührung in die Bahn eingreift. Die Rolle kann einen elliptischen Querschnitt haben. Dabei kann die Rolle bei zunehmender Schrägstellung sich zumindest geringfügig von der Bahn abheben, im Sinne einer Flankenauflage, so daß der Wirkungs­ radius der Bohrreibung erhöht wird.

Nach einer weiteren Ausbildung kann der Krümmungsradius der Rolle gleich oder geringfügig kleiner ausgeführt werden als der der Bahn. Dadurch wird zumindest bei kleineren Schrägstellungen der Rolle zur Bahn sichergestellt, daß die Berührung im Bereich der Scheitelebene vorkommt, zugunsten einer geringen Reibung und einer guten Leicht­ gängigkeit.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kugelrolle mit einer zylindrischen Bahn herkömmlicher Bauart,

Fig. 1a die Flächenpressung der Paarung nach Fig. 1,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt einer Gelenkausführung, bei der eine Schrägstellung bzw. Schwenkbewegung der Rollen zu den Bahnen vorkommt,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt einer zweiten Gelenkausführung, bei der eine Schrägstellung bzw. Schwenkbewegung der Rollen zu den Bahnen ebenfalls vorkommt,

Fig. 3a die Ausschnittsvergrößerung der Rollen und Bahnen von Fig. 3,

Fig. 4 eine Skizze zur Erläuterung der Rollenbewegung beim gebeugten Gelenk,

Fig. 5 eine zylindrisch abgeflachte Kugelrolle mit einer zylind­ rischen Bahn,

Fig. 5a die Flächenpressung der Paarung nach Fig. 5,

Fig. 6 den Querschnitt einer zylindrischen Bahn mit einer längs­ verlaufenden Nut im Bahngrund,

Fig. 6a die Längsansicht einer zylindrischen Bahn mit einer längsverlaufenden Nut im Bahngrund und

Fig. 7 eine elliptische Rolle mit elliptischen Bahnen.

Fig. 1 zeigt eine klassische Paarung einer Kugelrolle 3 mit einer zylindrischen Bahn 10, in der der Radius der Bahn 10 geringfügig größer ist als der Radius der Kugelrolle 3. Fig. 1a zeigt eine typische Verteilung der Flächenpressung 5 der Paarung von Fig. 1, wobei die maximale Pressung auf der Scheitelebene 9 der Kugelrolle 3 vorkommt. Dadurch bleibt der Wirkungsradius 7 der Wirkungskräfte 6 der Bohrreibung relativ klein. Das Reibmoment ist entsprechend gering, die periodische Axialkraft hoch.

Fig. 2 zeigt eine erste Gelenkausführung nach der Erfindung. Im Außenteil 1 sind zylindrische Bahnen 10 vorgesehen. Das Innenteil 2 weist drei Zapfen 21 auf, auf denen jeweils eine Kugelrolle 3 mit einer Umfangsnut 31 über Nadellager 22 verschiebbar gelagert ist.

Fig. 3 und Fig. 3a zeigen eine weitere Gelenkausführung nach der Erfindung. Das Innenteil 2 weist drei Zapfen 21 auf, auf denen jeweils eine Zylinderrolle 23 über Nadeln 22 drehbar gelagert ist. Die Kugelrolle 3 mit Umfangsnut 31 ist über der Zylinderrolle 23 verschiebbar gelagert. Das Innenprofil der Rolle 3 ist konvex ballig ausgeführt, das Außenprofil der Zylinderrolle 23 ist gerade. Die Kugelrolle 3 wird somit mit der Umfangskraft innenseitig an einer Stelle im Bereich der Scheitelebene und außenseitig an zwei Stellen abseits der Scheitelebene belastet. Somit ist die Kraftübertragung isostatisch. Eine Umkehrung ist auch denkbar, in der das Außenprofil der Zylinderrolle 23 konvex ballig ausgebildet ist.

Fig. 4 skizziert den Ablauf der Rolle 3 entlang der Bahn 10 und dem Zapfen 21. Die Rolle 3 bewegt sich von der Position A über B nach C und schließlich über B nach A zurück. Bei der Bewegung in der Richtung X erfährt das Außenteil 1 eine Reibkraft in dieser Richtung X, die größer ist, je größer die Schrägstellung bzw. der Schrägungs­ winkel der Kugelrolle 3 zur Bahn 10 ausfällt. Dabei wird eine Schwenkbewegung der Rolle 3 zur Bahn 10 im Uhrzeigersinn vollzogen, wodurch ein auf das Außenteil wirkendes Reibmoment M zustande kommt. Dieses Reibmoment M verursacht eine Axialkraft, welche auf die Achse des Außenteiles 1 in Richtung Y wirkt, also entgegengesetzt der Richtung X. Eine Reduzierung der Axialkräfte ist demnach durch eine Erhöhung des Reibmomentes M erreichbar. Die Zapfenreibung zwischen der Rolle 3 und dem Zapfen 21 wirkt im übrigen auf das Außenteil mit einer Reibungskomponente ebenfalls in Richtung X.

Bei der Ausführung von Fig. 3 ist die Rolle 3 zur Zylinderrolle 23 geringfügig schwenkbar, so daß die Schwenkbewegung der Rolle 3 zur Bahn 10 entsprechend verringert werden kann. Dadurch reduziert sich die Bahnreibkraft X und somit die Schüttelkraft, aber auch die Schwergängigkeit des Gelenkes im Sinne der Erfindung.

In Fig. 5 ist eine Paarung nach der Erfindung gezeigt, mit einer Kugelrolle 3, in der eine Abflachung 32 vorgesehen ist und eine zylindrische Bahn 10. In Fig. 5a ist eine Verteilung der Flächen­ pressung 5 der Paarung von Fig. 5 dargestellt, wobei die Belastung in der mittleren Zone bzw. im Bereich der Abflachung 32 vermieden wird. Dadurch vergrößert sich der Wirkungsradius 7 der Wirkungskräfte 6 und somit das Reibmoment. Die Reduzierung der periodischen Axialkraft wird der Breite der Abflachung 32 entsprechend reduziert, die Linienberührung bleibt aber erhalten. Wird die Kugelrolle 3 selbst breiter ausgeführt, so kann sich der Wirkungsradius 6 weiter vergrößern, wobei die Flächenpressung herabgesetzt wird.

Fig. 6 und Fig. 6a zeigen im Sinne der Erfindung eine zylindrische Bahn 10 mit einer Einkerbung 11, die eine ähnliche Wirkung auf das Reibmoment mit sich bringt, wie die Umfangsnut 31 der Kugelrolle 3. Die Einkerbung 11 kann beim Fließpressen des Außenteils 1 mit einer hohen Genauigkeit im selben Vorgang und somit kostengünstig herge­ stellt werden.

Die Tiefe der Umfangsnut 31 von Fig. 2 ist reichlich dimensioniert, um jegliche belastungsbedingte Annäherung der Rolle 3 zur Bahn 10 und jeglichen Verschleiß der belasteten Flächen zu kompensieren. Die Umfangsnut 31 weist ferner steile Flanken auf, die eine relativ kon­ stante Breite der Nut und somit ein gleichbleibendes Reibmoment gewährleisten, auch bei einer größeren radialen Exzentrizität zwischen der Nut und der belasteten Außenfläche der Rolle. Solche Exzentrizitäten kommen hauptsächlich durch die Herstellverfahren zustande, wenn bspw. die Umfangsnut 31 beim Drehen vor dem Härten eingestochen, die belastete Außenfläche nach dem Härten geschliffen wird. Übergangsradien oder Kantenbrüche zwischen den Flanken und den belasteten Außenflächen sind hier, wie an sich geläufig, sinnvoll.

Die Abflachung 32 beansprucht dagegen weniger radialen Raum und weist sanfte Übergänge bzw. flachere Winkel zur belasteten Außenfläche der Rolle auf und läßt sich mit der belasteten Außenfläche im selben Vorgang einfacher und genauer, bspw. durch Schleifen, herstellen.

Fig. 7 zeigt eine elliptische Rolle 3 mit einer angepaßten Bahn 10. Sofern sich die Rolle nicht in einer Schrägstellung befindet, wäre die Verteilung ihrer Flächenpressung ähnlich wie in Fig. 1a oder, wenn eine Abflachung vorgesehen wäre, ähnlich wie in Fig. 5a. Bei einer zunehmenden Schrägstellung aber kann sich der Wirkungsradius 7 - in beiden Fällen - zugunsten eines höheren Reibmomentes ver­ schieben.

Vorteilhaft bei der Ausführung ohne Abflachung ist, daß bei kleinen Beugewinkeln bzw. kleinen Schrägstellungen die größte Flächenpressung überwiegend im Bereich der Scheitelebene vorkommt, so daß die Reibungsverluste minimiert werden können. Die Bohrreibung fällt entsprechend gering aus. Dies ist an sich weniger relevant, da bei kleinen Beugewinkeln die periodische Axialkraft - welche in erster Annäherung vom Beugewinkel linear abhängig ist - ohnehin klein bleibt.

Ansonsten ist die Schrägstellung der Rolle, wie in Fig. 4 ausgeführt ist, veränderlich, maximal am Umkehrpunkt und in Hubmitte gleich Null. Dort also, wo die Gleitreibung am höchsten liegt, ist die Bohrreibung bzw. ihr Wirkungsradius entsprechend hoch und dort, wo keine oder eine kleine Gleitreibungskomponente vorkommt, ist die Bohrreibung minimiert. Demnach werden sowohl die periodische Axialkraft als auch der Wirkungsgrad und somit die Komforteigen­ schaften des Gelenkes optimiert.

Das Profil der Bahnen und/oder der Rollen kann im Rahmen der Erfindung an sich beliebig ausgebildet werden. Wichtig ist, daß bei der Schrägung der Rolle eine Erweiterung des Wirkungsradius 7, vorzugsweise allmählich vorkommt. Es kann sich hierbei auch um eine konkave Rolle handeln, welche eine konvexe Bahn umschließt.

Bezugszeichenliste

1

Außenteil

2

Innenteil

3

Rolle

5

Flächenpressung

6

Wirkungskraft

7

Wirkungsradius

9

Scheitelebene

10

Bahn

11

Einkerbung

21

Zapfen

22

Nadellager

23

Zylinderrolle

31

Umfangsnut

32

Abflachung
KUmfang
MReibmoment
XRichtung
YRichtung

Claims (10)

1. Gleichlaufdrehgelenk mit einem hohlen Außenteil, mit drei am Umfang verteilten in der Hauptrichtung axial verlaufenden konkaven Bahnen, einem im Außenteil befindlichen Innenteil mit drei in der Hauptrichtung radial nach außen gerichteten Zapfen, mit auf jedem Zapfen einer um dessen Längsachse drehbar gela­ gerten konvexen kugeligen Rolle, welche von der betreffenden Bahn des Außenteils geführt und zu dieser schwenkbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) einteilig ausgeführt ist und mit einer Linienberührung in die Bahn (10) eingreift, und im Bereich ihrer Scheitelebene (9) mit einer konkaven (31), geraden (32) oder konvexen Abflachung (32) des Profiles der Rolle (3) ausgebildet ist, und/oder die Bahn (10) in ihrem Grundbereich mit einer Einkerbung (11) versehen ist.

2. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) mit einem Krümmungsradius, der gleich oder geringfügig kleiner ist, als der der Bahnen (10) ausgebildet ist.

3. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Abflachung (31, 32) in etwa 1/3 der Rollen­ breite entspricht.

4. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Abflachung (31) der Rolle (3) als Umfangsnut und/oder die Einkerbung (11) der Bahn (10) als Längsnut ausge­ bildet ist.

5. Gleichlaufdrehgelenk mit einem hohlen Außenteil, mit drei am Umfang verteilten in der Hauptrichtung axial verlaufenden konkaven Bahnen, einem im Außenteil befindlichen Innenteil mit drei in der Hauptrichtung radial nach außen gerichteten Zapfen, mit auf jedem Zapfen einer um dessen Längsachse drehbar gela­ gerten konvexen Rolle, welche von der betreffenden Bahn des Außenteils geführt und zu dieser schwenkbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Stirnseiten der Rolle (3) hin, der senkrechte Abstand von der Rollenachse zum Profil der Rolle kleiner ist als zu der Kugeloberfläche (K), welche die Rolle umfängt, und daß die Rolle bei gestrecktem Gelenk mit einer Linienberührung in die Bahn (10) eingreift.

6. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Rolle (3) gleich oder geringfügig kleiner ist als der der Bahn (10).

7. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) an ihrem Umfang mit einem elliptischen Querschnitt ausgebildet ist.

8. Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (3) auf einer auf dem Zapfen (21) gelagerten Zylinderrolle (23) verschiebbar geführt ist.

9. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenprofil der Rolle (3) konvex ballig ausgebildet ist.

10. Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle im Bereich ihrer Scheitelebene (9) mit einer konkaven (31), geraden (32) oder konvexen Abflachung (32) ihres Profiles ausgebildet ist, und/oder die Bahn (10) in ihrem Grundbereich mit einer Einkerbung (11) versehen ist.