DE102010027059A1

DE102010027059A1 - Gelenk

Info

Publication number: DE102010027059A1
Application number: DE102010027059A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lutz Mathias; Dr. Gregor Thomas
Original assignee: HOFER-PDC GmbH; Neumayer Tekfor Holding GmbH; hofer pdc GmbH
Current assignee: Hofer Powertrain Innovation GmbH; Neumayer Tekfor Engineering GmbH
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: DE102010027059B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gelenk, mit einer Innen- und einer Außennabe, welche Kugelbahnen aufweisen, und mit Kugeln, wobei die Tangentialebenen an den Kontaktpunkten der Kugeln mit den Kugelbahnen einen Steuerwinkel bilden. Die Erfindung beinhaltet, dass die Kugelbahnen jeweils eine sich ständig ändernde Krümmung aufweisen, durch welche der Steuerwinkel konstant ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gelenk, mit einer Innennabe, welche eine Längsachse und innere Kugelbahnen aufweist, mit einer Außennabe, welche eine Längsachse und äußere Kugelbahnen aufweist, wobei die inneren Kugelbahnen und die äußeren Kugelbahnen jeweils paarweise einander zugeordnet sind, mit einem Käfig, welcher umfangsverteilte Fenster aufweist und welcher zwischen der Innennabe und der Außennabe angeordnet ist, und mit Kugeln, welche in den Fenstern des Käfigs und in den Paaren der inneren Kugelbahnen und der äußeren Kugelbahnen angeordnet sind und welche von dem Käfig in einer Ebene gehalten werden, wobei die Tangentialebenen an den Kontaktpunkten der Kugeln mit den inneren Kugelbahnen und den äußeren Kugelbahnen einen Steuerwinkel bilden, wobei die inneren Kugelbahnen jeweils einen aktiven Abschnitt aufweisen, in welchem sich die Kugeln bewegen, und wobei die äußeren Kugelbahnen jeweils einen aktiven Abschnitt aufweisen, in welchem sich die Kugeln bewegen. Bei dem Gelenk handelt es sich beispielsweise um ein Festgelenk oder insbesondere um ein Gegenbahngelenk mit wechselweise angeordneten Bahnen. Die Erfindung gilt jedoch auch für andere Kugelgleichlaufgelenke.
Im Stand der Technik sind die Kugelbahnen in der Innen- und Außennabe zumeist aus Kreissegmenten konstruiert. Unterschiedliche Gelenke und Ausgestaltungen von Kugelbahnen finden sich z. B. in den Dokumenten DE 10 2004 018 721 A1 , DE 42 22 205 C2 , DE 39 39 531 C1 oder DE 20 221 755 U1 . Die Ausgestaltung des Gelenks in Bezug auf den Steuerwinkel hängt von unterschiedlichen Kriterien ab. Für die Steuerung der Kugeln sollte ständig ein Steuerwinkel vorliegen, welcher größer als der Selbsthemmungswinkel ist. Weiterhin sollte der Steuerwinkel möglichst klein sein, um Wirkungsgradverluste zu vermeiden, welche üblicherweise mit erhöhter Pressung an den Kontaktpunkten einhergehen. Somit sollte der Steuerwinkel einerseits möglichst groß, andererseits jedoch möglichst klein sein. Die Erhöhung des Wirkungsgrades ist jedoch insbesondere relevant für die aktuellen Bestrebungen der Reduktion des CO₂-Ausstosses und der Reduktion des Treibstoffbedarfs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gelenk mit einem verbesserten Wirkungsgrad vorzuschlagen.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass zumindest die aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen jeweils eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen, dass zumindest die aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen jeweils eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen, und dass die Krümmung der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und die Krümmung der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Steuerwinkel zumindest zwischen den Zuständen des vollständig gestreckten Gelenks und des maximal gebeugten Gelenks im Wesentlichen konstant ist. Die Krümmung der Bahnen ändert sich somit jeweils längs der Längsachse der jeweiligen Nabe. Die Erfindung baut auf der Erkenntnis, dass sich bei den Kugelbahnen des Standes der Technik der Steuerwinkel bei Beugung des Gelenks verändert. Weiterhin ergaben Untersuchungen, dass der Steuerwinkel unter Beugung während eines Gelenkumlaufs Werte annimmt, die sowohl größer als auch kleiner als der Grundsteuerwinkel sind. Die Bahnkurven eines erfindungsgemäßen Kugelgleichlaufgelenks sind daher derartig ausgestaltet, dass bei Beugung des Gelenks der Steuerwinkel konstant bleibt. Die Bahnkurven sind insbesondere nicht kreisförmig und nicht aus diskreten Kreiselementen zusammengesetzt, sondern sie besitzen eine sich ständig ändernde Krümmung. Daher ist der stets konstante Steuerwinkel gleich dem Grundsteuerwinkel. Der konstante Steuerwinkel unter Beugung ermöglicht die Wahl eines sehr kleinen Grundsteuerwinkels, da die Gefahr einer Unterschreitung des Selbsthemmungswinkels nicht besteht. Dies ergibt den Vorteil, dass die resultierenden Steuerkräfte gering bleiben und somit nur geringe Wirkungsgradverluste und Pressungen an den Kontaktpunkten auftreten. Weiterhin lassen sich kleinere radiale Bewegungen der Kugeln bei der Beugung des Gelenks erreichen. Diese kleineren radialen Hübe ermöglichen dünnwandigere Kugelkäfige, wodurch wiederum in der Innen- bzw. Außennabe größere Bahntiefen oder größerer Kugeln gewählt werden können.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die inneren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen. Die ständige Krümmung bezieht sich somit z. B. auch auf Bereiche, in welchen die Kugeln sich nur während der Montage des Gelenks befinden.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die äußeren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen. Entsprechendes gilt auch hier für die äußeren Kugelbahnen, deren Krümmung sich über ihren gesamten Verlauf ständig ändert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest die aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen jeweils in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen. Die aktiven Kugelbahnen haben somit in ihrem Verlauf keinen seitlichen Versatz, wie z. B. beschrieben in der Patentschrift DE 42 22 205 C2 . Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die inneren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest die aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen jeweils in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen. Die äußeren Kugelbahnen fluchten in dieser Ausgestaltung mit der Längsachse der Außennabe. Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die äußeren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Krümmung der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und die Krümmung der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen der gleichen mathematischen Funktion gehorchen. In dieser Ausgestaltung verlaufen die jeweils paarweise einander zugehörigen Kugelbahnen gleichförmig.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und/oder die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen zumindest annähernd durch eine zumindest stückweise lineare mathematische Funktion beschreibbar sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und/oder die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen zumindest annähernd durch eine zumindest stückweise elliptische mathematische Funktion beschreibbar sind.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1: einen Schnitt durch ein schematisches Gelenk im ungebeugten Zustand,
2: einen Ausschnitt des Gelenks der 1,
3: einen Graphen der Abhängigkeit des Steuerwinkels eines Gelenks des Standes der Technik von der Beugung des Gelenks, und
4 und 5: vergrößerte Ausschnitte des Gelenks der 1 mit unterschiedlichen Beugewinkeln.
In der 1 ist ein Schnitt durch ein Gelenk dargestellt. Zwischen der Innennabe 1 und der Außennabe 2 befinden sich Kugeln 4 zur Übertragung des Drehmoments zwischen den beiden Naben 1, 2. Für die Kugeln 4 sind in der Innennabe 1 innere Kugelbahnen 11 und in der Außennabe 2 äußere Kugelbahnen 21 vorgesehen, welche jeweils paarweise eine Kugel 4 aufnehmen. Die Kugeln 4 sind jeweils in einem Fenster 30 des Käfigs 3 angeordnet, welcher sich zwischen der Innennabe 1 und der Außennabe 2 befindet und welcher die Kugeln 4 in einer Ebene hält. In der hier gezeigten Variante fallen jeweils die aktiven Abschnitte 22 der äußeren Kugelbahnen 21 mit den äußeren Kugelbahnen 21 bzw. fallen die aktiven Abschnitte 12 der inneren Kugelbahnen 11 mit den inneren Kugelbahnen 11 zusammen. Dargestellt ist das Gelenk im vollständig gestreckten, d. h. ungebeugten Zustand, in welchem die Längsachse der Außennabe 20 und der Innennabe 10 zusammenfallen. Dies ist somit auch die Längsachse des Gelenks. Je nach Ausgestaltung ist es dabei möglich, dass der Käfig 3 an der Innennabe 1, an der Außennabe 2 oder sowohl an der Innen- 1 als auch an der Außennabe 2 zentriert ist.
Im Ausschnitt der 2 sind die Tangentialebenen 5 an den Kontaktpunkten 51 der Kugeln 4 mit den inneren 11 und äußeren Kugelbahnen 21 eingezeichnet. Diese bilden den Steuerwinkel α.
Wie in der 3 zu erkennen, ändert sich der Steuerwinkel α (Y-Achse) bei den Gelenken des Standes der Technik in Abhängigkeit vom Beugewinkel des Gelenks (X-Achse). Die jeweiligen Winkel oszillieren dabei um den Grundsteuerwinkel des Gelenks, welcher sich aus der Ausgestaltung der Geometrie des Gelenks und dessen Bestandteilen ergibt (vgl. beispielsweise die Schrift DE 202 21 755 U1 ). Da der Steuerwinkel α in der Regel größer sein sollte als der Selbsthemmungswinkel, bedingt dieses Verhalten des Winkels bei den Gelenken des Standes der Technik einen relativ großen Grundsteuerwinkel. Für einen möglichst guten Wirkungsgrad des Gelenks sollte der Grundsteuerwinkel jedoch möglichst klein sein. Für diesen Zweck ist der Steuerwinkel α des erfindungsgemäßen Gelenks bei jeglicher Beugung gleich.
In den Abbildungen 4 und 5 ist das Gelenk der 2 unter zwei unterschiedlichen Beugungen dargestellt, d. h. die Außennabe 2 und die Innennabe 1 sind gegeneinander geneigt. Der Steuerwinkel α ist unabhängig vom Beugewinkel des Gelenks jeweils der gleiche. Dies lässt sich z. B. dadurch erreichen, dass die Kugelbahnen einer elliptischen Funktion folgen.
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 102004018721 A1 [0002]
DE 4222205 C2 [0002, 0007]
DE 3939531 C1 [0002]
DE 20221755 U1 [0002, 0019]

Claims

Gelenk, mit einer Innennabe, welche eine Längsachse und innere Kugelbahnen aufweist, mit einer Außennabe, welche eine Längsachse und äußere Kugelbahnen aufweist, wobei die inneren Kugelbahnen und die äußeren Kugelbahnen jeweils paarweise einander zugeordnet sind, mit einem Käfig, welcher umfangsverteilte Fenster aufweist und welcher zwischen der Innennabe und der Außennabe angeordnet ist, und mit Kugeln, welche in den Fenstern des Käfigs und in den Paaren der inneren Kugelbahnen und der äußeren Kugelbahnen angeordnet sind und welche von dem Käfig in einer Ebene gehalten werden, wobei die Tangentialebenen an den Kontaktpunkten der Kugeln mit den inneren Kugelbahnen und den äußeren Kugelbahnen einen Steuerwinkel bilden, wobei die inneren Kugelbahnen jeweils einen aktiven Abschnitt aufweisen, in welchem sich die Kugeln bewegen, und wobei die äußeren Kugelbahnen jeweils einen aktiven Abschnitt aufweisen, in welchem sich die Kugeln bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen jeweils eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen, dass zumindest die aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen jeweils eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen, und dass die Krümmung der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und die Krümmung der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Steuerwinkel zumindest zwischen den Zuständen des vollständig gestreckten Gelenks und des maximal gebeugten Gelenks im Wesentlichen konstant ist.
Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen.
Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig eine entlang der zugeordneten Längsachse sich im Wesentlichen ständig ändernde Krümmung aufweisen.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen jeweils in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen.
Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen jeweils in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen.
Gelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Kugelbahnen jeweils im Wesentlichen vollständig in einer Ebene mit der zugeordneten Längsachse verlaufen.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und die Krümmung der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen der gleichen mathematischen Funktion gehorchen.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und/oder die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen zumindest annähernd durch eine zumindest stückweise lineare mathematische Funktion beschreibbar sind.
Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der inneren Kugelbahnen und/oder die Krümmung zumindest der aktiven Abschnitte der äußeren Kugelbahnen zumindest annähernd durch eine zumindest stückweise elliptische mathematische Funktion beschreibbar sind.