DE102005019692A1 - Gelenkkreuzbüchse mit Axialführung - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk einer Gelenkwelle, das zwischen zwei unter einem Beugewinkel ausgerichteten Wellen angeordnet ist. Jede Welle ist dazu endseitig mit einer Gelenkgabel versehen. Ein Gelenkkreuz mit vier zueinander um 90° versetzten Zapfen verbindet die Gelenkgabeln, wobei jeweils zwei Zapfen einer Gelenkgabel zugeordnet sind. Die Zapfen sind jeweils über eine Gelenkkreuzbüchse in Verbindung mit einem Nadelkranz als Radiallager paarweise in den Gelenkgabeln eingesetzt.
- Hintergrund der Erfindung
- Für heute eingesetzte Kreuzgelenke in Gelenkwellen wird eine möglichst spielfreie Übertragung zwischen den Gelenkkreuzbüchsen und dem Gelenkkreuz gefordert. Zum Ausgleich von einem fertigungsbedingten und einbaubedingten Spiel zwischen dem Zapfen des Gelenkkreuzes und der Gelenkkreuzbüchse in axialer Richtung ist es bekannt, die Gelenkkreuzbüchse unter Vorspannung gegen den Zapfen des Gelenkkreuzes einzupressen.
- Die Funktion und die Qualität eines Kreuzgelenks, das auch als Kardan-Gelenk zu bezeichnen ist, wird insbesondere unter den Gesichtspunkten der Geräuschentwicklung, des Rundlaufs sowie des Schwingungsverhalten bewertet. Dazu ist das Fehlen eines axialen Spiels zwischen dem Zapfen des Gelenkkreuzes und der jeweiligen Gelenkkreuzbüchse entscheidend. Das axiale Spiel wird insbesondere von einer engen Tolerierung des Maßes zwischen den Böden von zwei gegenüberliegenden Gelenkkreuzbüchsen zu den Stirnflächen der Kreuzgelenk-Zapfen bestimmt.
- Ein gattungsgemäßes Kreuzgelenk ist aus der
DE 21 20 569 A bekannt. Die zwischen der Stirnfläche des Zapfens und dem Boden der Gelenkkreuzbüchse zentrisch angeordnete Wälzlagerkugel ist dabei teilweise in einer Ausnehmung des Zapfens sowie in einer weiteren Ausnehmung des Bodens der Gelenkkreuzbüchse geführt. Dieser Aufbau ermöglicht keine spielfreie Ausrichtung des Zapfens gegenüber der Gelenkkreuzbüchse. - Die weiterhin bekannte Druckschrift
DE 21 22 575 A zeigt eine Gelenkkreuzbüchse, bei der bedingt durch die unter einer Anpresskraft zu montierende Gelenkkreuzbüchse mit einem Boden geringer Wandstärke, lediglich eine relativ flache Federkennlinie erzielbar ist. Diese Federkennlinie kombiniert mit der im Zentrum des Bodens zum Zapfen gerichteten, vorstehenden Anlauffläche erfüllt zunächst die Bedingung der spielfreien Anlage. Die Annpresskraft bewirkt nachteilig eine Durchwölbung der Anlauffläche, wodurch die Stirnfläche des Zapfens zunächst ausschließlich am äußersten Rand der Anlauffläche anläuft. Nach einer Einlaufphase, d.h. nach der die Durchwölbung abgerieben ist, stellt sich eine plane Anlauffläche zwischen der Stirnfläche des Zapfens und des Bodens ein. Damit verbunden ist eine verminderte Anpresskraft, die im ungünstigen Fall nicht zum Ausgleich des axialen Spiels zwischen dem Zapfen und der Gelenkkreuzbüchse ausreicht. - Aufgabe der Erfindung
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dauerhaft spielfreies Kreuzgelenk durch Maßnahmen zu schaffen, die kostengünstig realisierbar sind.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die zuvor genannte Problemstellung wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Kreuzgelenk gemäß der Erfindung sieht vor, dass alle Zapfen des Gelenkkreuzes über ein als Schrägkugellager ausgebildetes Axiallager an dem Boden der Gelenkkreuzbüchse abgestützt und geführt sind. Das eingesetzte Schrägkugellager, das auch als Schrägschulterlager zu bezeichnen ist, bildet einen geschlossenen, kreisringförmigen Abstützkontakt zwischen dem Zapfen des Gelenkkreuzes und dem Boden der Gelenkkreuzbüchse ein. Vorteilhaft ist das als Schrägkugellager eingesetzte, zumindest zwei Wälzkörper umfassende Axiallager zwischen der Stirnseite des Zapfens und dem Boden der Gelenkkreuzbüchse so ausgeführt, dass dieses eine wirksame Zentrierung des Gelenkkreuzes gegenüber der Gelenkkreuzbüchse sicherstellt.
- Diese Maßnahme begünstigt die gewünschte spielfreie Anordnung des Gelenkkreuzes, zur Erzielung eines geräuschoptimierten, schwingungsfreien Kreuzgelenks. Die konstruktive Ausgestaltung des Axiallagers in Verbindung mit einer entsprechenden Vorspannung erfolgt so, dass sich ein toleranzbedingtes und/oder einbaubedingtes Radialspiel nicht auswirkt, bzw. kompensiert werden kann. Im Betriebszustand, werden bei einer anschwellenden Momenteneinleitung in das Kreuzgelenk die sich einstellenden Kräfte zunächst von dem Axiallager in den Boden der Gelenkkreuzbüchse eingeleitet. Bei einem Drehmomentanstieg in das Kreuzgelenk stützen sich die Zapfen des Gelenkkreuzes über das Radiallager, den Nadelkranz ab, und verhindern dadurch vorteilhaft eine Überlastung des Axiallagers.
- Das erfindungsgemäße Konzept zur Vermeidung eines Axialspiels innerhalb des Kreuzgelenks mittels eines Axiallagers erfordert weder einen erhöhten Fertigungsaufwand noch eine aufwändige Montage. Andererseits bewirkt die erfindungsgemäße Maßnahme neben einem optimalen axialen Spielausgleich, eine wirksame Zentrierung, eine reduzierte Geräuschentwicklung sowie ein verringertes Beugemoment des Kreuzgelenks.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.
- Ein bevorzugter Aufbau des erfindungsgemäßen Kreuzgelenks umfasst ein Axiallager, dessen Wälzkörper in Laufbahnen geführt sind, die in dem Zapfen und dem Boden der Gelenkkreuzbüchse eingebracht sind. Zur Erzielung eines verstärkten Zentrierungseffektes weisen die Laufbahnen für die Wälzkörper des Axiallagers zueinander radial versetzte Scheitellinien auf. Durch den sich einstellenden definierten radialen Versatz der Laufbahnen in der Stirnseite des Zapfens und dem Boden der Gelenkkreuzbüchse ergibt sich ein Schrägkugellager bzw. Schrägschulterlager, mit dem der gewünschte Spielausgleich in axialer Richtung wirksam realisierbar ist.
- Als Differenzmaß zwischen den abweichenden Durchmessern der Laufbahnen für die Wälzkörper, den Scheitellinien, im Boden der Gelenkkreuzbüchse und der Stirnseite des Zapfens ist erfindungsgemäß ein Maß von ≥ 0,5 mm vorgesehen.
- Das Axiallager gemäß der Erfindung umfasst vorteilhaft eine vollkugelige Anordnung von Wälzkörpern. Alternativ dazu bietet es sich an, ein Axiallager einzusetzen, bei dem die Wälzkörper in einem separaten Käfig geführt sind.
- Die zueinander radial versetzten Scheitelpunkte der Laufbahnen für die Wälzkörper stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, zur Erzielung einer optimalen Zentrierung des Zapfens. Damit stellt sich ein schräg verlaufender Linienkontakt der Wälzkörper zwischen den versetzt angeordneten Laufbahnen ein, der einen Druckwinkel von ≥ 45° zur Längsachse des Kreuzgelenk-Zapfens einstellt.
- Alternativ zu einer gezielten Zentrierung des Zapfens gegenüber dem Boden der Gelenkkreuzbüchse schließt die Erfindung ein Axiallager ein, bei dem die Wälzkörper nur einseitig in einer Laufbahn geführt sind. Bei diesem Aufbau werden die Wälzkörper bevorzugt in einer stirnseitigen Laufbahn des Zapfens geführt und stützen sich andererseits an einer planen, ebenen Fläche des Bodens der Gelenkkreuzbüchse ab. Diese Maßnahme gewährleistet ohne eine Zentrierung des Zapfens ein reduziertes Beugemoment des Kreuzgelenks. Durch eine entsprechend tiefe, in die Stirnseite des Zapfens eingebrachte Laufbahn, die beispielsweise den Durchmesser des Wälzkörpers übertrifft, in Verbindung mit dem eben ausgeführten Boden der Gelenkkreuzbüchse, stellt sich vorteilhaft ein verringerter axialer Abstand zwischen der Stirnseite des Zapfens und dem Boden der Gelenkkreuzbüchse ein, wodurch ein bauraumoptimiertes Kreuzgelenk realisierbar ist.
- Die Erfindung schließt weiterhin eine Gestaltung der Gelenkkreuzbüchse ein, die unterschiedliche Wandstärken aufweist. Dazu bietet es sich an, die Wandstärke „s1" des profilierten, eine Laufbahn für die Wälzkörper aufweisenden Bodens der Gelenkkreuzbüchse kleiner auszuführen als die Wandstärke „s2" des zylindrischen Abschnitts der Gelenkkreuzbüchse. Diese Maßnahme ermöglicht ein vereinfachtes, spanloses Einformen der Laufbahn in den Boden. Aufgrund der Laufbahnkontur stellt sich eine Versteifung des Bodens ein, so dass dieser selbst bei einer verringerten Wandstärke eine ausreichende Steifigkeit bzw. Festigkeit aufweist.
- Ein weiteres Gestaltungsmerkmal der Erfindung bezieht sich auf ein axiales Überstandsmaß zwischen der Scheitellinie der Wälzkörperlaufbahn und dem ebenen Abschnitt von dem Boden der Gelenkkreuzbüchse. Als Überstandsmaß ist dabei vorzugsweise ein Maß von ≤ 0,8 mm vorgesehen.
- Das Kreuzgelenk gemäß der Erfindung ist bevorzugt in einer für eine Fahrzeuglenkung bestimmte Gelenkwelle eingesetzt. Der wirksame Spielausgleich einerseits und das vorteilhaft reduzierte Beugemoment andererseits führt zu einer direkten, verzögerungsfreien, den Lenkkomfort verbessernden Lenkung und vermeidet damit ein nachteiliges schwammiges Lenkgefühl.
- Für das erfindungsgemäße Kreuzgelenk ist weiterhin vorgesehen, die Montage der Gelenkkreuzbüchsen mittels einer Vorrichtung durchzuführen, bei der jeweils zwei Gelenkkreuzbüchsen in gegenüberliegende Bohrungen einer Gelenkgabel eingepresst werden. Synchron dazu erfolgt eine definierte Verformung von dem Boden der Gelenkkreuzbüchse, zur Ausbildung der Laufbahn für die Wälzkörper des Axiallagers. Mittels der Vorrichtung werden abschließend Prägenasen in die Bohrungen der Gelenkgabel eingeformt, mit denen eine wirksame Lagefixierung der jeweiligen Gelenkkreuzbüchse erzielbar ist. Während des Einpressvorgangs und der gleichzeitigen Bodenverformung der Gelenkkreuzbüchse wird die Verformung bzw. die Einbaulage über eine als Messtaster ausgebildete Messeinrichtung überwacht.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, die nachfolgend beschrieben werden.
- Es zeigen:
-
1 ein Kreuzgelenk, bei dem jedem Zapfen eine Gelenkkreuzbüchse mit integriertem Axiallager zugeordnet ist; -
2 in einer vergrößerten Darstellung ein Zapfen des Kreuzgelenks, in Verbindung mit einer im Schnitt dargestellten erfindungsgemäßen Gelenkkreuzbüchse; -
3 eine Vorrichtung, mit der die Gelenkkreuzbüchsen in Bohrungen einer Gelenkgabel eingepresst werden; -
4 in einer vergrößerten Abbildung einen Ausschnitt der Vorrichtung gemäß3 , die das Anformen einer Prägenase verdeutlicht. - Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
- Das in
1 abgebildete Kreuzgelenk1 umfasst ein Gelenkkreuz2 mit vier jeweils um 90° zueinander versetzt angeordneten Zapfen3 . Jedem Zapfen3 ist eine Gelenkkreuzbüchse4 zugeordnet, die ein topfartig geformtes, spanlos aus Stahlblech hergestelltes Bauteil darstellt, das jeweils den Zapfen3 endseitig umschließt. Wie in3 dargestellt, sind im Einbauzustand jeweils zwei gegenüberliegende Gelenkkreuzbüchsen4 in Bohrungen5a ,5b einer Gelenkgabel6 eingepresst. Eine Stell- bzw. Schwenkbewegung des Gelenkkreuzes2 gegenüber den ortsfest in der Gelenkgabel6 eingepressten Gelenkkreuzbüchsen4 ermöglicht ein Radiallager7 , das zylindrische, einen Nadelkranz8 bildende Wälzkörper umfasst. Dabei ist der Einbauraum für den Nadelkranz8 innenseitig von einer Mantelfläche des Zapfens3 und außenseitig von einer Innenkontur der Gelenkkreuzbüchse4 begrenzt. - Zwischen einem Boden
9 der Gelenkkreuzbüchse4 und einer Stirnfläche10 des Zapfens3 ist ein als Schrägkugellager ausgebildetes Axiallager11 eingesetzt. Die Wälzkörper12 des Axiallagers11 sind dabei an der Stirnfläche11 und dem Boden9 der Gelenkkreuzbüchse4 geführt. In der Einbaulage ist das Gelenkkreuz2 in axialer Richtung aufgrund des als Schrägkugellager ausgebildeten Axiallagers11 spielfrei zentriert. - Im Betriebszustand, bei dem beispielsweise ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment „MD" in das Kreuzgelenk
1 eingeleitet wird, werden die sich einstellenden Kräfte „FB1" und „FB2", jeweils unter einem Druckwinkel „α" zunächst über das Axiallager11 abgestützt. Falls ein Spiel im Radiallager7 vorhanden ist, wird dieses aufgrund des vorgespannten, das Gelenkkreuz2 zentrierenden Axiallagers11 kompensiert. Bei steigendem Drehmoment „MD" sind die Zapfen3 über das Radiallager7 abgestützt, so dass eine Überlastung des Axiallagers11 unterbleibt. - Weitere Details des Axiallagers
11 zeigt die2 . Die Führung der Wälzkörper12 des Axiallagers11 erfolgt über Laufbahnen13 ,14 , die in einer Stirnseite15 des Zapfens3 sowie in dem Boden9 der Gelenkkreuzbüchse4 eingebracht sind. Zur Darstellung eines als Schrägkugellager ausgebildeten Axiallagers11 weist die Laufbahn14 im Boden9 der Gelenkkreuzbüchse4 einen gegenüber dem Radius des Wälzkörpers12 deutlich vergrößertes Querschnittsprofil auf. Die Laufbahn14 bildet eine Scheitellinie16 , deren Durchmesser durch „d1" gekennzeichnet ist. Die weitestgehend dem Radius der Wälzkörper12 angepasste weitere Laufbahn13 in der Stirnseite15 des Zapfens3 bildet die Scheitellinie17 , deren Durchmesser durch die „d2" gekennzeichnet ist. Aufgrund der Durchmesserunterschiede der Scheitellinien16 ,17 stellt sich ein gewollter Kantentrag der Wälzkörper2 in der Laufbahn14 ein, wodurch sich bei einer Axialbelastung des Zapfens3 in Richtung des Bodens9 der Gelenkkreuzbüchse4 , selbsttätig eine Zentrierung des Gelenkkreuzes2 über das Axiallager11 einstellt. Damit verbunden lässt sich gleichzeitig vereinfacht ein in axialer Richtung spielfreies, zentriertes Kreuzgelenk1 realisieren. Der Versatz der Scheitellinien16 ,17 nimmt gleichzeitig Einfluss auf den Druckwinkel „α" des Axiallagers11 , verdeutlicht durch die Pfeilrichtung der Kräfte „FB," und „FB2" gemäß1 . Die spanlos, bevorzugt durch ein Tiefziehverfahren hergestellte Gelenkkreuzbüchse4 kann unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Beispielsweise bietet es sich an, die Wandstärke „s1" im Boden9 kleiner auszubilden als die Wandstärke „s2" in einem zylindrischen Abschnitt23 der Gelenkkreuzbüchse4 . Das Maß „s3" bestimmt ein sich zwischen dem Boden9 und der Scheitellinie16 der Gelenkreuzbüchse4 einstellendes Überstandsmaß. - Die
3 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung18 , mit der gleichzeitig zwei Gelenkkreuzbüchsen4 in Bohrungen5a ,5b der Gelenkgabel6 ei ner Gelenkwelle19 eingepresst werden. Dazu wird die Gelenkgabel6 mittels spreizbaren Haltebacken20a ,20b lagefixiert, bevor Stempel21a ,21b gleichzeitig jeweils eine Gelenkkreuzbüchse4 in die Bohrung5a ,5b der Gelenkgabel6 einpressen. Dazu ist das Gelenkkreuz2 zuvor in eine exakte Lageposition gegenüber der Gelenkgabel6 gebracht, so dass während des Einpressvorgangs die Gelenkkreuzbüchsen4 sich auf die Zapfen3 des Gelenkkreuzes2 axial aufschieben. Zuvor wurde die Gelenkkreuzbüchse4 sowohl mit dem Radiallager7 als auch das Axiallager11 bestückt. Der von einer Messeinrichtung überwachte Einpressvorgang wird nach Erreichen einer definierten Endposition beendet, bei der sich eine gewünschte Vorspannung des Axiallagers11 innerhalb der Gelenkkreuzbüchsen4 einstellt. - Wie in der
4 dargestellt, werden nach dem Einpressvorgang der Gelenkkreuzbüchsen4 , anschließend mit Hilfe der Stempel21a ,21b partiell Prägenasen 22 im Bereich der Bohrung5a ,5b der Gelenkgabel6 angeformt. Die Prägenasen22 gewährleisten eine lagefixierte Einbaulage der Gelenkkreuzbüchsen4 in der Gelenkgabel6 . -
- 1
- Kreuzgelenk
- 2
- Gelenkkreuz
- 3
- Zapfen
- 4
- Gelenkkreuzbüchse
- 5a
- Bohrung
- 5b
- Bohrung
- 6
- Gelenkgabel
- 7
- Radiallager
- 8
- Nadelkranz
- 9
- Boden
- 10
- Stirnfläche
- 11
- Axiallager
- 12
- Wälzkörper
- 13
- Laufbahn
- 14
- Laufbahn
- 15
- Stirnseite
- 16
- Scheitellinie
- 17
- Scheitellinie
- 18
- Vorrichtung
- 19
- Gelenkwelle
- 20a
- Haltebacke
- 20b
- Haltebacke
- 21a
- Stempel
- 21b
- Stempel
- 22
- Prägenase
- 23
- Abschnitt
Claims (11)
- Kreuzgelenk, das ein Gelenkkreuz (
2 ) mit um 90° zueinander versetzte Zapfen (3 ) umfasst, die jeweils über eine Gelenkkreuzbüchse (4 ) in Verbindung mit einem Nadelkranz (8 ) paarweise in eine von zwei Gelenkgabeln (6 ) eingesetzt sind, wobei zwischen einem Boden (9 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ) und einer Stirnfläche (10 ) des Zapfens (3 ) ein Wälzkörper (12 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (3 ) über ein als Schrägkugellager ausgebildetes, zumindest zwei Wälzkörper (12 ) umfassendes Axiallager (11 ) an dem Boden (9 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ) abgestützt, axial geführt und zentriert ist. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, wobei die Wälzkörper (
12 ) des Axiallagers (11 ) in Laufbahnen (13 ,14 ) geführt sind, die in einer Stirnfläche (10 ) des Zapfens (3 ) und dem Boden (9 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ) eingebracht sind. - Kreuzgelenk nach Anspruch 2, bei dem die Laufbahnen (
13 ,14 ) des Zapfens (3 ) und des Bodens (9 ) für die Wälzkörper (12 ) des Axiallagers (11 ) zueinander radial versetzte Scheitellinien (16 ,17 ) aufweisen. - Kreuzgelenk nach Anspruch 3, bei dem die Scheitellinien (
16 ,17 ) der Laufbahnen (13 ,14 ) unterschiedliche Durchmesser „d1" und „d2 „ aufweisen, wobei ein Differenzmaß ≥ 0,5 mm beträgt. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dessen Axiallager (
11 ) eine vollkugelige Anordnung der Wälzkörper (12 ) einschließt. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, bei dem die Wälzkörper (
12 ) des Axiallagers (11 ) in einem Käfig geführt sind. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dessen Axiallager (
11 ) Wälzkörper (12 ) einschließt, die einerseits in der dem Boden (9 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ) zugeordneten Laufbahn (14 ) geführt sind und andererseits an der ebenen Stirnfläche (10 ) des Zapfens (3 ) abgestützt sind. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, wobei der Boden (
9 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ) eine Wandstärke „s1" aufweist, die sich von einer Wandstärke „s2" eines zylindrischen Abschnitts (23 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ) unterscheidet. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, bei dem die Gelenkkreuzbüchse (
4 ) ein Überstandsmaß „s3" von ≤ 0,8 mm zwischen der von der Laufbahn (14 ) bestimmten Scheitellinie (16 ) und dem Boden (9 ) aufweist. - Kreuzgelenk nach Anspruch 1, das für eine in einer Fahrzeuglenkung eingesetzten Gelenkwelle bestimmt ist.
- Kreuzgelenk nach Anspruch 1, bei dem jeweils zwei Gelenkkreuzbüchsen (
4 ) mittels einer Vorrichtung (18 ) in gegenüberliegende Bohrungen (5a ,5b ), einer Gelenkgabel (6 ) eingepresst werden, wobei synchron dazu in dem Boden (9 ) der Gelenkkreuzbüchse (4 ), die Laufbahn (14 ) für die Wälzkörper (12 ) des Axiallagers (11 ) eingeformt wird, bevor abschließend partiell Prägenasen (22 ) in die Bohrungen (5a ,5b ) der Gelenkgabel (6 ) eingebracht werden, zur Lagefixierung der Gelenkkreuzbüchse (4 ).
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