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Kreuzgelenk, besonders für schwere Gelenkwellen von
Kraftfahrzeugen
Für die Kraftübertragung in schweren Fahrzeugen, die von Brennkraftmaschinen angetrieben werden, verwendet man im allgemeinen Gelenkwellen mit Kreuzgelenken. Die Kreuzgelenke, von denen die Er- findung ausgeht, bestehen aus zwei Gelenkgabeln mit Lageraugen, gegebenenfalls mit Lagerbuchsen, in denen ein Zapfenkreuz mit zylindrischen Lagerzapfen gelagert ist. Es gibt eine Bauart mit deckellosen, das Lager umschliessenden Augen aus einem Stück und eine andere Bauart mit Lageraugen, die mit Dek- kein geschlossen sind.
Besonders im schweren Schienenfahrzeugbetrieb haben sich infolge der ständig steigenden Leistungen und Drehzahlen an solchen Kreuzgelenken mehr und mehr Schäden gezeigt. Diese Schäden traten vorwie- gend an den Enden der Lager auf, z. B. durch Bruch der meist beanspruchten Nadeln, wenn Nadellager verwendet werden ; auch übernormale Abnutzung, die sogar zu Ausbrüchen in den Lagerflächen führte, wurde festgestellt.
Es wurde daher planmässig untersucht, wie eigentlich die Last in derartigen Lagern mit Nadeln bei einem statischen Höchstdrehmoment verteilt ist. Hiezu wurden die zylindrischen Lagerzapfen eines Zap- fenkreuzes verkupfert und das Kreuzgelenk wurde dem Höchstdrehmoment unterworfen. Auf der Kupferschicht ergaben sich dann Eindrücke der Nadeln von einer gewissen Breite. Durch Eichen derartiger Ein- drücke kann man an jeder Stelle die Last unmittelbar aus der jeweiligen Breite der Eindruckstelle ablesen. Hieraus kann man die Lastverteilung über die Nadellänge erkennen.
In der Zeichnung veranschaulichen die Fig. 1-4 ein Kreuzgelenk der bisherigen Bauart, wobei Fig. l das Zapfenkreuz und die Lastverteilung in der Lagerlängsrichtung, Fig. 2 die Lastverteilung über dem Um- . fang des Lagers, Fig. 3 einen Schnitt durch die Zapfenlagerung und Fig. 4 ein zusammengebautes Gelenk in der Ansicht zeigen.
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5-9Fig. 8 die Ansicht des zusammengebauten Gelenkes und Fig. 9 einen Schnitt durch die Zapfenlagerung in einer zur Zapfenkreuzebene um etwa 450 geneigten Schnittebene.
In Fig. l der Zeichnung ist ein Zapfenkreuz 11 üblicher Bauart dargestellt. Über den zylindrischen Lagerzapfen 12 und 13 des Zapfenkreuzes sind Kurven 14 und 15 aufgetragen, die sich aus einzelnen Messwerten ergeben und die Verteilung der Last im Lastbereich längs der höchstbelasteten Nadel in dem Nadellager zeigen. In beiden Kurven 14 und 15 beträgt die Last an dem äusseren Ende gegenüber der mittleren Last fast das Doppelte ; auch an dem inneren Ende steigt die Last an.
In Fig. 2 der Zeichnung ist ein Schnitt durch den zylindrischen Lagerzapfen 12 dargestellt. Die Strahlen am Umfang des zylindrischen Lagerzapfens 12 geben die Gesamtlast auf jeder einzelnen Nadel an. Auch hier zeigt sich, dass die Gesamtlast 16 der Nadel im Lastbereich weit höher ist als die Gesamtlast 17 bzw. 18 auf den beiden benachbarten Nadeln in diesem Bereich. Hienach weist auch die Lastverteilung über den Umfang des zylindrischen Lagerzapfens ebenfalls eine unerwünschte Spitze auf.
Gemäss der Erfindung werden diese Spitzen in der Lastverteilung dadurch beseitigt, dass die Radialquerschnitte der nach aussen vorragenden Lageraugen nach dem Zapfenende zu so schmäler werden, dass
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ferner diese Querschnitte an der Stelle des höchsten Lagerdruckes so kleinwie zulässig sind und dass sie von dieser Stelle mindestens in einem Bereich von etwa 450 nach beiden Seiten, nach dem Gabelende und nach der Gabelwurzel zu, stetig so grösser werden, dass durch diese federnd nachgiebige Lagerung der
Zapfen in den Lageraugen die Last, die infolge des zu übertragenden Drehmomentes auf jedes der vier I Lager entfällt, sowohl über die Länge als auch über den Umfang jedes Lagers möglichst gleichmässig ver- teilt ist.
Nach einer aus Raumgründen bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung hat jedes nach aussen vorra- gende Lagerauge im wesentlichen die Gestalt etwa eines quadratischen Pyramidenstumpfes. In weiterer
Ausbildung der Erfindung sitzt die Lagerbuchse nur mit einem Teil ihrer Aussenfläche im Lagerauge fest.
Vorteilhaft lässt man die Lagerbuchse nur mit dem nach der Gelenkmitte zu gelegenen Teil ihrer Aussen- fläche im Lagerauge festsitzen.
Die gleichmässige Lastverteilung in den vier Zapfenlagern kann ferner noch dadurch verbessert wer- den, dass auch das Zapfenkreuz entsprechend gestaltet ist. Hiefür ist es zweckmässig, dass die vier Arme des Zapfenkreuzes in an sich bekannter Weise sich aus einer gemeinsamen, zwischen den Zapfen vertieft gekrümmten Wurzel erstrecken und im wesentlichen je aus einem nach aussen kegelig abnehmenden Teil sowie dem zylindrischen Lagerzapfen bestehen. Der zylindrische Lagerzapfen kann, ausser der üblichen
Schmiermittelbohrung, wie an sich bekannt, eine als Schmiermittel-Vorratsraum dienende Ausnehmung haben, die sich nach einer Ausbildungsform der Erfindung nach aussen so erweitert, dass auch der zylindri- sche Lagerteil des Zapfens zur gleichmässigen Lastverteilung im Lager beiträgt.
In den Fig. 3 und 4 bedeutet 19 die eine Gelenkgabel mit einem Lagerauge 2u rechteckigen Quer- schnittes, mit 21 ist die andere gleichartige Gelenkgabel mit dem Auge 22 bezeichnet. Das Zapfen- kreuz 11 mit den vier zylindrischen Lagerzapfen 12 und 13 (die zwei übrigen sind nicht dargestellt) ist in den beiden Gelenkgabel 19 und 21 gelagert. Für die Lagerung sind Nadeln 23 in Käfigen 24 und Büch- sen 25 verwendet. Diese Lagerbüchsen 25 sind in die Augen 20 eingepresst und mit Sprengringen 26 ge- sichert. Die Nadellager 23,24 sind nach innen zu'in üblicher Weise, z. B. durch Profilring, abgedichtet und werden durch Bohrungen 27 und 28 mit Schmiermittel versorgt.
Das Kreuzgelenk gemäss der Erfindung nach den Fig. 7-9 besteht aus den gleichartigen Gelenkgabel
29 und 30 mit Lageraugen 31 und 32. In den Lageraugen 31 und 32 ist ein Zapfenkreuz 33 gelagert. Die
Lager dieses Zapfenkreuzes 33 bestehen je aus Nadeln 34 in einem Käfig. 35 und einer Buchse 36. Die
Buchse 36, die mit dem nach der Gelenkmitte zu gelegenen Teil ihrer Aussenfläche im Lagerauge 31 fest- sitzt, wird durch einen einschraubbaren Deckel 37 in axialer Richtung gehalten, der durch Verstemmen an seinem Gewinde 38 an einigen durch kleine Kreise bezeichneten Stellen (Fig. 8) seines Umfanges ge- gen Herausdrehen gesichert ist.
Der Deckel 37 drückt mit einem Rand bs auf einen Bund 4u der Buchse 36 und hat zwischen seiner inneren Grundfläche 41 und der Stirnfläche des zylindrischen Lagerzapfens 42 des
Zapfenkreuzes 33 ein Spiel von einigen hundertstel Millimetern.
Wie aus Fig. 7, die einen Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 8 zeigt, ersichtlich, nimmt der Quer- schnitt des Lagerauges 31 nach aussen zu in bestimmter Weise ab. Dies und das nur teilweise Festsitzen der
Lagerbuchse 36 im Auge 31 bewirken, dass die Last in diesem Bereich über die Länge des Lagers gleich- förmig verteilt ist, wie aus der Lastverteilung lach Kurve 43 der am meisten belasteten Nadel in Fig. 5 über dem Lagerzapfen 42 hervorgeht. Die Belastung entsteht dadurch, dass die Gabel 30 das Zapfenkreuz 33 an dem zylindrischen Lagerzapfen 44 in. Pfeilrichtung mit dem Höchstdrehmoment mitnehmen will. Über das Zapfenkreuz 33 wird die Belastung auf den zylindrischen Lagerzapfen 42 übertragen. Die Lastvertei- lung der hauptbelasteten Nadel am zylindrischen Lagerzapfen 44 zeigt die Kurve 45.
Die Kurven 43 und 45 weisen keine Spitzen mehr auf, sondern die Last ist nahezu gleichförmig über die gesamte Länge je Lager verteilt.
Damit nun auch die Verteilung über den Umfang des Lagers möglichst gleichförmig wird, nimmt erfindungsgemäss der Querschnitt des Auges 31 bzw. 32 der Gelenkgabel 29 bzw. 30 aus dem Lastbereich heraus nach beiden Seiten, besonders gegen das Ende der Gelenkgabel, in bestimmter Weise zu. Dies ist durch den grössten Querschnitt 46 in Fig. 9 veranschaulicht, die den Schnitt nach der Linie 9-9 durch das Lagerauge 32 in Fig. 8 wiedergibt. Damit die Zunahme des Querschnittes 46 gegenüber dem Querschnitt nach Fig. 7 verglichen werden kann, ist der Schnitt in Fig. 9 nach rechts in die gleiche Lage gedreht dargestellt. Infolge der Querschnittsvergrösserung ergibt sich eine Lastverteilung auf die einzelnen Nadeln, wie sie in Fig. 6 über dem Querschnitt des zylindrischen Lagerzapfens 42 gezeigt ist.
Der Lastbereich wird etwa durch die jeweiligen Gesamtlasten 47, 48 und 49 auf den Nadeln in Fig. 6 dargestellt. Es zeigt sich, dass diese Gesamtlasten 47, 48 und 49 untereinander nahezu gleich sind, im Gegensatz zu den Lasten 16, 17 und 18 in Fig. 2. Die Querschnitte des Lagerauges und der Anteil der Aussenfläche der Lagerbuchse als
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feste Sitzfläche werden am besten durch Probieren bestimmt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass die Lagerbuchse 36 auf etwa zwei Drittel ihrer Länge festsitzt, während das vordere Ende nur durch Reibungsschluss vom Deckel 37 in radialer Richtung gehalten wird.
Die Gleichförmigkeit der Lastverteilung wird noch dadurch unterstützt, dass die vier Arme des Zap- fenkreuzes in an sich bekannter Weise aus einer vertieft gekrümmten Wurzel 50 sich erstrecken und im wesentlichen je aus einem nach aussen kegelig abnehmenden Teil 51 bzw. 52 und den zylindrischen La- gerzapfen 42 bzw. 44 bestehen. Die Nadellager 34,35 sowie die Spielräume zwischen dem Deckel 37 und der Lagerbuchse 36 werden in üblicher Weise durch Schmierbohrungen 53 und 54 mit Schmiermittel versorgt, das an die Stirnflächen der zylindrischen Lagerzapfen 42 und 44 in Radialnuten 55 gelangen kann.
Wenn der zylindrische Lagerzapfen nach einer Weiterbildung der Erfindung eine sich nach aussen erweiternde Ausnehmung hat, die in an sich bekannter Weise als Schmiermittel-Vorratsraum dient, so trägt auch diese Formgebung zur gleichförmigen Lastverteilung im Lager bei.
Die Erfindung lässt sich sinngemäss auf jede Art von Lager, also auch auf Gleitlager, anwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kreuzgelenk, besonders für schwere Gelenkwellen von Kraftfahrzeugen, bestehend aus zwei Gelenkgabeln mit Lageraugen, gegebenenfalls mit Lagerbuchsen, in denen ein Zapfenkreuz mit zylindrischen Lagerzapfen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialquerschnitte der nach aussen vorragenden Lageraugen (31,32) nach dem Zapfenende zu so schmäler werden, dass ferner diese Querschnitte an der Stelle des höchsten Lagerdruckes so klein wie zulässig sind und dass sie von dieser Stelle mindestens in einem Bereich von etwa 450 nach beiden Seiten, nach dem Gabelende und nach der Gabelwurzel zu, stetig so grösser werden, dass durch diese federnd nachgiebige Lagerung der Zapfen (42.
44) in den Lageraugen (31,32) die Last, die infolge des zu übertragenden Drehmomentes auf jedes der vier Lager (34,36) entfällt, sowohl über die Länge als auch über den Umfang jedes Lagers (34,36) möglichst gleichmässig verteilt ist.