DE102007029516A1

DE102007029516A1 - Homokinetisches Wellengelenk

Info

Publication number: DE102007029516A1
Application number: DE102007029516A
Authority: DE
Inventors: Manfred Heintschel
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-02
Also published as: WO2009000827A1

Abstract

Ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle, wobei die beiden Wellen in einem Winkel zueinander angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengelenk als Doppelkugelgleichlaufgelenk (1) ausgebildet ist. Hierdurch wird ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle zur Verfügung gestellt, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und ohne Drehungleichförmigkeiten hohe Momente spielarm auch bei großen Beuge- bzw. Verstellwinkeln übertragen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle, wobei die beiden Wellen in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Gelenklösungen zur Übertragung von Drehmomenten in einem Lenk- bzw. Antriebsstrang bekannt. Neben Standardkreuzgelenken gibt es Doppelgelenke, bestehend aus zwei Kreuzgelenken mit oder ohne Kopplung einer Eingangswelle mit einer Ausgangswelle.
So beschreibt beispielsweise die DE 10 2005 022 474 A1 eine Lenkwelle zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung eines Lenkrads mit einem gelenkten Rad mit winkligem Verlauf von Wellenteilen der Lenkwelle. Dabei ist das Wellengelenk als homokinetisches Doppelkreuzgelenk mit Zentnerscheibe ausgebildet.
Eine ähnliche Lösung wird in der US 6,840,864 B2 beschrieben. Allerdings wird hier ein fester Winkel zwischen den Wellen festgeschrieben, wodurch das Bauelement unflexibel für den Einsatz bei unterschiedlichen Beuge- bzw. Verstellwinkeln ist.
Einen etwas anderen Weg beschreitet die DE 42 07 218 C2 , in der ein zentriertes Doppelkreuzgelenk für Lenkwellen in Kraftfahrzeugen beschrieben wird. Bei diesem Doppelkreuzgelenk sind die in dem Gelenk drehfest miteinander verbundenen Wellenenden jeweils in einem Gelenkkreuz um zwei einen rechten Winkel miteinander und mit der Wellenlängsachse einschließenden Gelenkachsen in einem beide Gelenkkreuze miteinander verbindenden Gehäuse mittels Lagerzapfen beweglich gelagert. Die Mittenzentrierung der beiden Wellenenden erfolgt dabei durch ein beide Wellenenden verbindendes Kugelgelenk.
Nachteil dieser bekannten Kreuzgelenk-Lösungen ist, dass mit zunehmendem Beuge- bzw. Verstellwinkel in der Regel auch die Verdrehspiele zunehmen. Insbesondere bei der Anwendung in einem Lenkstrang führt dies zu einem negativen Lenkgefühl, da dann die Lenkung mit Spiel behaftet ist.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass ein aus Doppelkreuzgelenken aufgebauter Antriebs- oder Lenkstrang nur einen Beugewinkel von maximal 40° ermöglicht. Dabei müssen diese Lösungen gekoppelte Wellen haben, um ohne Drehungleichförmigkeiten zu arbeiten. Dennoch haben diese Lösungen oft bereits ein großes Verdrehspiel von 40 Minuten. Vergrößert man den Beugewinkel solcher Konstruktionen weiter, so ergeben sich aufgrund der notwendigen beweglichen Teile Verdrehspiele von bis zu 65 Minuten. Wird die Anzahl der beweglichen Teile reduziert und lässt man nur einen festen Winkel zwischen den Wellen zu, dann lassen sich die Verdrehspiele wieder auf Kosten der Flexibilität reduzieren.
Zwar sind aus dem Stand der Technik auch Kugelgleichlaufgelenke, beispielsweise aus der DE 11 2004 002 719 T5 , bekannt, die ohne Drehungleichförmigkeiten hohe Momente Spielarm übertragen können. Derartige Kugelgleichlaufgelenke weisen jeweils einen Außenring auf, der im Innenumfang eine Vielzahl von gekrümmten Kugelrillen besitzt, einen Innenring, der im Außenumfang eine Vielzahl von gekrümmten Kugelrillen besitzt, Kugeln, die zwischen den Kugelrillen des Außenrings und den Kugelrillen des Innenrings aufgenommen sind, und einen Käfig zum Halten der Kugeln. Die Kugelrillenmitte des Außenrings befindet sich an der sich öffnenden Seite des Außenrings in Bezug auf die Mitte der inneren Kugelfläche des Außenrings. Die Kugelrillenmitte des Innenrings befindet sich an der innersten Seite des Außenrings in Bezug auf die Mitte der äußeren Kugelfläche des Innenrings., wobei die Kugelrillenmitte axial um einen gleichen Betrag in entgegengesetzten Richtungen voneinander versetzt sind. Somit liegen die Kugellaufflächen, die von den Kugelrillen der Außen- und Innenringe definiert werden, in Form eines Keils vor, der sich von einer axialen Richtung des Gelenks zur anderen allmählich verjüngt oder erweitert. Allerdings ermöglichen derartige Kugelgleichlaufgelenke lediglich maximale Beugewinkel bis ca. 48°. Dies kann bei Anwendungen, insbesondere für geteilte Lenkwellen im Nutzkraftfahrzeugbereich, zu gering sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und ohne Drehungleichförmigkeiten hohe Momente spielarm auch bei großen Beuge- bzw. Verstellwinkeln übertragen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle, wobei die beiden Wellen in einem Winkel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengelenk als Doppelkugelgleichlaufgelenk ausgebildet ist.
Hierdurch wird ein homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle zur Verfügung gestellt, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und ohne Drehungleichförmigkeiten hohe Momente spielarm auch bei großen Beuge- bzw. Verstellwinkeln übertragen kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass das Doppelkugelgleichlaufgelenk in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen ist. Dabei kann das Gehäuse beispielsweise ähnlich einem zylindrischen Rohrstück aufgebaut sein, in das an beiden Enden jeweils Außenringe mit im Innenumfang angebrachten gekrümmten Kugelrillen eingearbeitet sind. Das zylindrische Gehäuse kann dabei auch zweiteilig aufgebaut sein. Alternativ können zwei halbkugelförmige Gehäusehälften an ihren geschlossenen Seiten plan bearbeitet werden und dann miteinander kraftschlüssig verbunden werden. Durch die Verwendung eines Gemeinsamen Gehäuses erhält man eine serientaugliche Lösung, die sehr viele Gleichteile aufweist und damit einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass das Gehäuse drehbar gelagert angeordnet ist. Durch die drehbare aber axial fixierte Lagerung lassen sich insbesondere bei langen Lenkwellen die Schwingungsanregung durch Fahrzeugvibrationen verringern. Außerdem wird hier der so genannte dritte Freiheitsgrad des Gelenks verhindert, der zu unkontrollierten Ausweichbewegungen des Gelenks unter Drehmoment führt.
Noch eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass in dem Gehäuse zwei sphärische Platten vorgesehen sind, deren konkave Seiten gegenüberliegend angeordnet sind. Die sphärischen Platten, die aus gehärtetem Material hergestellt sein können, stellen den Abschluss der Kugellaufbahn dar und verhindern den Austritt von Schmiermittel. Außerdem können sie als Abstützung, beispielsweise für Kugel-Feder-Systeme dienen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass zwei Vorspannelemente im Doppelkugelgleichlaufgelenk vorgesehen sind, um ein Laufflächenspiel zu reduzieren. Als Vorspannelement kann dabei ein Feder-Kugel-System am gelenkseitigen Wellenende vorgesehen sein, welches sich an der Innenfläche einer Kugelkalotte abstützt. Durch die Verspannung wird ein axiales Wandern verhindert und damit das radiale Laufflächenspiel zwischen den Kugellaufflächen und den Kugeln, die das Drehmoment übertragen reduziert.
Noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass das Doppelkugelgleichlaufgelenk zwei Gehäuseschalen aufweist, wobei die konkaven Seiten der sphärischen Laufbahnen hintereinander angeordnet sind.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass zwei Kugelgleichlaufgelenke koaxial miteinander gekoppelt sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass der Winkel zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle > 48°, vorzugsweise 70° bis 90°, beträgt. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht hohe Beugungs- bzw. Verstellwinkel und gewährleistet dennoch hohe Flexibilität, d. h. Winkelabweichungen durch Bauartbedingte Toleranzen oder durch Lenkradverstellung können einfach ohne Mehraufwand realisiert werden. So lassen sich Beugewinkel nach Durchgang eines Lenkgestänges durch eine Firewall von etwa 77° einfach realisieren.
Noch eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen homokinetischen Wellengelenks sieht vor, dass die Baulänge des Doppelkugelgleichlaufgelenks 190 mm bis 260 mm aufweist. Die geringe Baulänge ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung, da hier der begrenzte Raum im Fahrzeug ohne Einschränkungen genutzt werden kann. Eine kompakte kostengünstige Bauweise schlägt sich auch auf geringere Liefer- und Lagerkosten nieder.
Erfindungsgemäß ist eine Verwendung eines homokinetischen Wellengleichlaufgelenks gemäß der vorliegenden Erfindung zur drehmomentschlüssigen Verbindung einer geteilten Lenkwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, vorgesehen. Hier sind insbesondere Anwendungen im Nutzfahrzeugbereich denkbar, bei denen nach der Durchführung durch eine Firewall hohe Beugewinkel der Lenkachse gefordert sein können.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelkugelgleichlaufgelenks;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II aus 1;
3 eine teilweise geschnittene Ansicht eines abgewinkelten Doppelkugelgleichlaufgelenks aus 1 mit Gehäuselagerung;
4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelkugelgleichlaufgelenks;
5 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelkugelgleichlaufgelenks; und
6 eine schematische Darstellung einer abgewinkelten Lenkwelle mit Doppelkugelgleichlaufgelenk.
Bei den Figuren handelt es sich lediglich um eine jeweils schematisch beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen homokinetischen Doppelkugelgleichlaufgelenks 1 zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle über einen ersten Wellenschaft 9 mit einer zweiten Welle über einen zweiten Wellenschaft 10. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie II-II aus 1.
Das Doppelkugelgleichlaufgelenk 1 weist ein im wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 2 mit jeweils an gegenüberliegenden Außenseiten angeordneten Außenring 3 und damit korrespondierenden Innenring 4 auf. Auf den Außenringen 3 und den Innenringen 4 sind eine Vielzahl von (nicht gezeigten) gekrümmten Kugelrillen angeordnet, welche über den Umfang verteilte Kugeln 6 aufnehmen, die von einem Käfig gehalten werden. Die Kugellaufflächen, die von den Kugelrillen der Außenringe 3 und Innenringe 4 definiert werden, bilden eine Keilform.
Das Gehäuse 2 kann dabei zur einfacheren Herstellung und Montage zweiteilig aufgebaut sein. Durch die kurze Baulänge und die entsprechende Steifigkeit des Gehäuses 2, ist es nur unwesentlich größer als ein herkömmliches Kugelgleichleichlaufgelenk und erlaubt wie diese herkömmlichen Gelenke eine spielfreie Drehmomentübertragung von der ersten Welle auf die zweite Welle. Eine gesonderte zentrierung der beiden Wellen, wie dies bei Doppel-Kardan-Gelenken erforderlich ist, wird hier nicht benötigt.
In dem Gehäuse 2 sind zwei sphärische Platten 5 aus gehärtetem Stahl vorgesehen, deren konkave Seiten gegenüberliegend angeordnet sind. Die sphärischen Platten 5 stellen den axialen Abschluss der Kugellaufbahn dar und verhindern den Austritt von Schmiermittel. Außerdem dienen sie als Abstützung eines Kugel-Feder-Systems 11.
Die beiden Kugel-Feder-Systeme 11 dienen als Vorspannelemente im Doppelkugelgleichlaufgelenk 1, um ein Laufflächenspiel zu reduzieren. Durch die Verspannung wird ein axiales Wandern verhindert und damit das radiale Laufflächenspiel zwischen den Kugellaufflächen und den Kugeln 6, die das Drehmoment übertragen, reduziert.
Die Gummimanschetten 8, die an den wellenseitigen Enden des Gehäuses 2 angeordnet und mittels Clips befestigt sind, haben die Form eines Faltenbalgs, um auch großen Beugewinkel nachgeben zu können. Die Gummimanschetten 8 dienen primär zum Schutz vor Verschmutzung und zu verhindern, dass Schmierfett austritt.
Die Baulänge des Doppelkugelgleichlaufgelenks 1 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 190 mm und ist damit trotz der hohen Beugungswinkel und der hohen Flexibilität sehr kompakt gebaut. Als Wellenanschluss können verzahnte Wellenenden dienen. Alternativ sind Befestigungsaugen 12 an den freien Enden des Doppelkugelgleichlaufgelenks 1 angeordnet.
3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines abgewinkelten Doppelkugelgleichlaufgelenks 1 aus 1 mit Gehäuselagerung 13. Der Beugungswinkel des Doppelkugelgleichlaufgelenks beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei mal 45°, also insgesamt 90°. Der Verstellwinkel wird hier also gegenüber einem herkömmlichen Kugelgleichlaufgelenk verdoppelt. Durch die drehbare aber axial fixierte Lagerung lassen sich insbesondere bei langen Lenkwellen die Schwingungsanregung durch Fahrzeugvibrationen verringern.
4 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelkugelgleichlaufgelenks 1. Dabei sind zwei Kugelgleichlaufgelenke koaxial miteinander gekoppelt, wodurch bei einer geringen Baulänge von unter 260 mm ein Doppelkugelgleichlaufgelenk entsteht. Die vorliegende Ausführungsform weist am linken Ende einen Anschlussstummel 14 und am rechten Ende ein Befestigungsauge 12 auf. Die drehmomentfeste Verbindung der beiden einzelnen Kugelgleichlaufgelenke erfolgt über einen verzahnten Schaft 15, der in mit einer korrespondierenden Hohlwelle formschlüssig verbunden ist. Durch die hier gezeigte Ausrichtung der Gelenke verbleibt das eingefüllte Fett immer an der gewünschten Stelle.
Die in 5 gezeigte Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelkugelgleichlaufgelenks unterschiedet sich von der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform lediglich dadurch, dass an beiden Enden Befestigungsaugen 12 vorgesehen sind.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer abgewinkelten Lenkwelle mit Doppelkugelgleichlaufgelenk. Dabei ist ein Lenkrad 18 mit einer ersten Welle 16 verbunden. Die schräg verlaufenden erste Welle 16 soll in einer quasi senkrecht verlaufenden zweiten Welle 17 fortgeführt werden, die auf die Lenkstange 19 und die damit verbundenen Räder 20 führt. Um den Beugungswinkel von etwa 77° zu überwinden, kommt ein erfindungsgemäßes Doppelkugelgleichlaufgelenk 1 zur Anwendung.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Insbesondere können Varianten zur Anbindung an Teleskopwellen, Lenksäulen, Lenkgetriebe oder andere Komponenten im Lenk- bzw. Antriebsstrang vorgesehen sein. Auch ein Schaft mit Außenverzahnung zum direkten Verbinden durch Einpressen in ein Rohr bzw. einen Rohrabschnitt kann erfindungsgemäß vorgesehen sein.

1: Doppelkugelgleichlaufgelenk
2: Gehäuse
3: Außenring
4: Innenring
5: Sphärische Platte
6: Kugel
7: Käfig
8: Gummibalg
9: Erster Wellenschaft
10: Zweiter Wellenschaft
11: Kugel-Feder-System
12: Befestigungsauge
13: Gehäuselager
14: Anschlussstummel
15: Verzahnter Schaft
16: Erste Welle
17: Zweite Welle
18: Lenkrad
19: Lenkstange
20: Rad
α: Beugewinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005022474 A1 [0003]
- US 6840864 B2 [0004]
- DE 4207218 C2 [0005]
- DE 112004002719 T5 [0008]

Claims

Homokinetisches Wellengelenk zur drehmomentschlüssigen Wirkverbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle, wobei die beiden Wellen in einem Winkel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengelenk als Doppelkugelgleichlaufgelenk (1) ausgebildet ist.
Homokinetisches Wellengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelkugelgleichlaufgelenk (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (2) aufgenommen ist.
Homokinetisches Wellengelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) drehbar gelagert angeordnet ist.
Homokinetisches Wellengelenk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) zwei sphärische Platten (5) vorgesehen sind, deren konkave Seiten gegenüberliegend angeordnet sind.
Homokinetisches Wellengelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Vorspannelemente im Doppelkugelgleichlaufgelenk (1) vorgesehen sind, um ein Laufflächenspiel zu reduzieren.
Homokinetisches Wellengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelkugelgleichlaufgelenk zwei Gehäuseschalen (2) aufweist, wobei die konkaven Seiten der sphärischen Laufbahnen hintereinander angeordnet sind.
Homokinetisches Wellengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kugelgleichlaufgelenke koaxial miteinander gekoppelt sind.
Homokinetisches Wellengelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle > 45°, vorzugsweise 70° bis 90°, beträgt.
Homokinetisches Wellengelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baulänge des Doppelkugelgleichlaufgelenks 190 mm bis 260 mm aufweist.
Verwendung eines homokinetischen Wellengleichlaufgelenks nach Anspruch 1 zur drehmomentschlüssigen Verbindung einer geteilten Lenkwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge.