DE10303291B4

DE10303291B4 - Zapfenkreuzgarnitur

Info

Publication number: DE10303291B4
Application number: DE10303291A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Martin Erlmann
Original assignee: Spicer Gelenkwellenbau GmbH
Current assignee: Spicer Gelenkwellenbau GmbH
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: DE10303291A1

Abstract

Zapfenkreuzgarnitur mit einem Zapfenkreuz zum Verbinden zweier Gelenkgabeln eines Kreuzgelenkes umfassend
einen Grundkörper (23) und
vier Zapfen (11),
– von denen jeweils zwei Zapfen (11) auf einer gemeinsamen Zapfenachse (Y, Z) zentriert angeordnet sind, wobei die Zapfenachsen (Y, Z) rechtwinklig zueinander verlaufen,
– die an den Grundkörper (23) angeformt sind,
– die jeweils ein freies Ende (25) aufweisen, und
– die jeweils eine Lagerfläche (28) aufweisen,
wobei die Lagerflächen (28) mindestens zweier auf einer gemeinsamen Zapfenachse (Y, Z) angeordneten Zapfen (11),
– jeweils entweder unmittelbar durch eine Außenumfangsfläche eines Zapfens (11) oder durch eine Außenumfangsfläche einer auf den Zapfen (11') aufgebrachten Hülse (26) dargestellt sind,
– jeweils einen ersten Lagerflächenabschnitt (29) aufweisen, der auf einer koaxial zur jeweiligen Zapfenachse (Y, Z) angeordneten rotationssymmetrischen Hüllfläche angeordnet ist, und
– jeweils einen zweiten Lagerflächenabschnitt (30) aufweisen, der innerhalb der Hüllfläche angeordnet ist,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Zapfenkreuzgarnitur zum gelenkigen Verbinden zweier Gelenkgabeln eines Kreuzgelenkes, wobei Zapfen des Zapfenkreuzes in Lagerbohrungen der Gelenkgabeln gelagert sind.
Die Zapfen eines Zapfenkreuzes sind in der Regel in Lagerbohrungen von Gabelarmen der Gelenkgabeln wälzgelagert. Die Wälzkörper eines Wälzlagers rollen einerseits auf einer Lagerfläche, die durch den jeweiligen Zapfen gebildet ist, und andererseits auf einer Lagerfläche ab, die durch eine in die Lagerbohrung eingesetzte Lagerbuchse oder durch die Lagerbohrung selbst gebildet ist. Bei der Übertragung von Drehmomenten von einer der beiden Gelenkgabeln zu der anderen Gelenkgabel treten Zonen höherer Belastung auf. Hierbei übernehmen steifere Teile der Gabelarme den größten Teil der Belastung. Zur Reduzierung der Höchstbelastungen innerhalb dieser Hauptbelastungszonen sind mehrere Lösungen bekannt.
Die DE 199 53 963 A1 offenbart eine Lösung, bei der in den zylindrischen Wandungen der Lagerbohrungen Ausnehmungen vorgesehen sind, die sich über einen Teil des Umfangs erstrecken und in axialer Richtung einer Zapfenachse eine veränderliche Tiefe aufweisen. Die Zapfen des Zapfenkreuzes sind in einer Lagerbüchse wälzgelagert, wobei die Lagerbüchse in der Lagerbohrung aufgenommen ist. Somit wird im Bereich der Ausnehmungen, die sich im Bereich der Hauptlastzonen befinden, eine Verformung der Lagerbüchse ermöglicht, so daß die maximalen Belastungen Die DE 1 425 952 C zeigt zur Reduzierung von maximalen Belastungen in einem Wälzlager eine im Querschnitt oval geformte Welle, die in einem Ring wälzgelagert ist. Im Bereich der Hauptlastzone weist die Welle den größten Krümrnungsradius auf, so daß die Lagerlast auf mehr Wälzkörper verteilt wird, als bei einer Ausführungsform, in der die Welle im Querschnitt kreisrund ausgebildet ist. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß in axialer Richtung der Welle keine Lagerlastverteilung erzielt wird.
Die DE 29 33 505 C2 zeigt eine Zapfenkreuzgarnitur, bei der die Zapfen in Lagerbüchsen wälzgelagert sind. Die Lagerbüchsen sind in Lagerbohrungen der Gelenkgabeln aufgenommen. Die Außenumfangsflächen der Lagerbüchsen sind im wesentlichen zylindrisch und weisen im Bereich der Hauptlastzonen Abflachungen auf, die sich über einen Teil des Umfangs erstrecken und die sich in Richtung der Zapfenachse, ausgehend von einem Grundkörper, an dem die Zapfen angeformt sind, in Richtung zu dem jeweiligen freien Ende des Zapfens der Zapfenachse annähern. Nachteil ist jedoch, daß die Lagerbüchsen verformt werden.
Zur Lagerlastverteilung in axialer Richtung bezogen auf die Zapfenachsen zeigt die DE 1 122 781 B ein Zapfenkreuz mit Zapfen, deren Außenumfangsfläche konisch ausgebildet ist. Hierbei ist jedoch keine Lagerlastverteilung in Umfangsrichtung möglich.
DE 36 05 746 A1 zeigt eine Lösung, bei der die Lagerbüchse eine Innenumfangsfläche mit Ausnehmungen über die gesamte axiale Länge aufweist. Ferner kann der Zapfen über seinen gesamten Umfang konisch gestaltet sein.
DE 30 48 846 A1 zeigt ein Kreuzgelenk, bei dem eine Lagerbüchse und/oder ein auf einem Lagerzapfen sitzender Lagerring und/oder der Lagerzapfen über einen Teilbereich ihrer Länge und/oder Umfangsfläche ein radial nach außen zunehmendes Spiel zum benachbarten Bauteil aufweist. Die Lagerflächen sind hingegen derart ausgebildet, dass die Wälzkörper stets einwandfrei parallel zur Zapfenmittelachse geführt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zapfenkreuzgarnitur bereitzustellen, wobei eine Lastverteilung der Lagerlast der Lagerung zwischen den Zapfen und den Gelenkgabeln eines Kreuzgelenkes sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung bezogen auf die jeweilige Zapfenachse ermöglicht und eine hohe Lebensdauer der Lagerung gewährleistet wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Zapfenkreuzgarnitur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Da der zweite Lagerflächenabschnitt in axialer Richtung bezogen auf die jeweilige Zapfenachse mit kontinuierlich verkleinerndem Abstand zur Zapfenachse verläuft, ist in axialer Richtung eine Lastverteilung der Lagerkräfte gewährleistet. Zudem erstreckt sich der zweite Lagerflächenabschnitt lediglich über einen Teil der Außenumfangsfläche, so dass eine Reduzierung der Höchstbelastungen in der Hauptbelastungszone verwirklicht wird. Im Längsschnitt des Zapfens betrachtet kann der zweite Lagerflächenabschnitt geradlinig oder gekrümmt ausgebildet sein.
Da der zweite Lagerflächenabschnitt durch die Außenumfangsfläche der Hülse oder des Zapfens gebildet ist, wird beim Einsatz einer Lagerbüchse diese nicht im Bereich des zweiten Lagerflächenabschnitts verformt, so daß eine höhere Lebensdauer der Lagerbüchse gewährleistet werden kann.
Je nach Ausbildung der Gelenkgabeln kann es ausreichend sein, dass nur zwei auf einer gemeinsamen Zapfenachse angeordnete Zapfen Lagerflächen mit mindestens zwei unterschiedlichen Lagerflächenabschnitten aufweisen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine der beiden Gelenkgabeln eine ausreichende Steifigkeit aufweist.
Vorzugsweise weist der zweite Lagerflächenabschnitt, im Querschnitt des Zapfens betrachtet, einen stetigen Übergang zum ersten Lagerflächenabschnitt auf. Somit bildet der erste Lagerflächenabschnitt zusammen mit dem zweiten Lagerflächenabschnitt eine Laufbahn für Wälzkörper ohne Unstetigkeiten, so daß die Wälzkörper ungehindert abwälzen können.
Die Hüllfläche, auf der der erste Lagerflächenabschnitt angeordnet ist, kann zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wobei bei einer kegelstumpfförmigen Ausbildung der Hüllfläche diese in Richtung vom Grundkörper zum freien Ende hin sich verjüngend ausgebildet ist.
Der zweite Lagerflächenabschnitt gewährleistet eine Lastverteilung in Umfangsrichtung bei einer ersten Drehrichtung des Kreuzgelenkes. Soll eine Lastverteilung auch in einer zweiten Drehrichtung des Kreuzgelenkes gewährleistet werden, ist vorzusehen, daß die Zapfen jeweils einen dritten Lagerflächenabschnitt aufweisen, der entsprechend dem zweiten Lagerflächenabschnitt ausgebildet ist.
Da die Hauptlastzone, die in der ersten Drehrichtung auftritt, symmetrisch zu der Hauptlastzone angeordnet ist, die in der zweiten Drehrichtung auftritt, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der zweite Lagerflächenabschnitt und der dritte Lagerflächenabschnitt spiegelsymmetrisch zu derjenigen Ebene angeordnet sind, die die jeweilige Zapfenachsen enthält und die im rechten Winkel zu der Zapfenachse des jeweilig anderen Zapfenpaares angeordnet ist.
Damit über die Länge des Zapfens betrachtet eine ausgewogene Lastverteilung über die gesamte Länge der Lagerung erzielt wird, ist der erste Lagerflächenabschnitt und der zweite Lagerflächenabschnitt bezogen auf die jeweilige Zapfenachse gleich lang ausgebildet.
Um eine einfache Fertigung des zweiten Lagerflächenabschnitts zu erzielen, verläuft dieser, im Längsschnitt des jeweiligen Zapfens betrachtet, linear.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Hierin zeigt
1 einen Halblängsschnitt einer Kreuzgelenkwelle;
2 eine Draufsicht einer Zapfenkreuzgarnitur gemäß 1, teilweise geschnitten;
3 eine Seitenansicht einer Gelenkgabel mit schematisch dargestellter Lagerlastverteilung;
4 eine Draufsicht eines Zapfens mit schematisch dargestellter Lagerlastverteilung;
5 eine Draufsicht eines Zapfens eines Zapfenkreuzes gemäß 2;
6 einen Querschnitt des Zapfens entlang der Schnittlinie VI-VI gemäß 5;
7 einen Längsschnitt durch den Zapfen gemäß 6 entlang der Schnittlinie VII-VII und
8 einen Querschnitt eines Zapfens mit einer Hülse.
Aus 1 ist eine Kreuzgelenkwelle 1 ersichtlich, welche zwei Kreuzgelenke 2, 3 sowie eine beide Kreuzgelenke 2, 3 verbindende und eine Veränderung des Abstandes zwischen diesen zulassende Welle 4 besitzt. Die beiden Kreuzgelenke 2, 3 sind auf einer Drehachse X zentriert ausgerichtet. Jedes von ihnen umfaßt eine erste Gelenkgabel 5, 6, die jeweils mit der Weile 4 fest verbunden ist, und eine zweite Gelenkgabel 7, 8, die ebenfalls jeweils mit der Welle 4 fest verbunden ist, sowie eine Zapfenkreuzgarnitur 9, 9', mittels der die erste Gelenkgabel 5, 6 und die zweite Ge lenkgabel 7, 8 schwenkbar miteinander verbunden sind.
Aus 2 ist eine Zapfenkreuzgarnitur 9 ersichtlich, die ein Zapfenkreuz 10 mit vier Zapfen 11, die jeweils eine Lagerfläche 28 in Form einer Außenumfangsfläche sowie eine Stirnfläche 12 besitzen, umfaßt. Die Zapfen 11 sind an einen Grundkörper 23 angeformt und weisen ein freies Ende 25 auf, an dem jeweils die Stirnfläche 12 gebildet ist. Dabei sind jeweils zwei Zapfen 11 auf einer gemeinsamen Achse Y, Z zentriert angeordnet. Die beiden Achsen Y, Z liegen in einer Ebene und schneiden sich rechtwinklig.
Weiterhin ist auf jedem Zapfen 11 eine Lagerbüchse 13 in der Achse Y, Z zentriert und mittels Wälzkörper 14 schwenkbar gelagert. Die Lagerbüchsen 13 weisen jeweils einen zylindrischen Mantel 15 und einen Boden 16 auf, der den zylindrischen Mantel 15 an einem Ende abschließt und der ferner eine der Stirnfläche 12 des jeweiligen Zapfens 11 gegenüberliegende Bodeninnenfläche 17 besitzt. Die einer Achse Y, Z zugeordneten Lagerbüchsen 13 sind in Lagerbohrungen 18 der beiden Gabelarme 19 einer Gelenkgabel 5, 6, 7, 8 aufgenommen und in Richtung der Zapfenachsen Y, Z festgelegt. Zwischen der Bodeninnenfläche 17 der Lagerbüchse 13 und der Stirnfläche 12 des Zapfens 11 ist auf der Achse Y, Z zentriert eine ringförmige Anlaufscheibe 21 zur Verringerung von Reibung angeordnet. Diese besitzt Schmiernuten, die sich von einer zentralen Bohrung 20 zu ihrem Außenumfang erstrecken.
In den Zapfen 11 des Zapfenkreuzes 10 sind auf den Achsen Y, Z zentrierte Bohrungen 22 vorgesehen, die als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind und sich in einem Schnittpunkt innerhalb des Grundkörpers 23 schneiden und dort an einen Schmiernippel 24 zur Fettversorgung angeschlossen sind.
3 zeigt eine Seitenansicht des Gabelarms 19 in Richtung der Zapfenachse Y. Schematisch ist die Lastverteilung der einzelnen Wälzkörper 14 auf den Gabelarm 19 durch Pfeile dargestellt, wenn eine Umfangskraft in Richtung des mit Fu bezeichneten Pfeils vom Zapfenkreuz 11 auf den Gabelarm 19 wirkt. Der Gabelarm 19 ist in demjenigen Bereich, der bezogen auf eine Ebene, die durch die Zapfenachsen X und Y aufgespannt ist, dem Flansch 27 abgewandt ist, weicher ausgeführt als in demje nigen Bereich, der dem Flansch 27 zugewandt ist. Aufgrund der steiferen Ausbildung des Gabelarms im dem Flansch 27 zugewandten Bereich wird der größte Teil der Last in diesem Bereich aufgenommen.
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Zapfenkreuz 10. Durch Pfeile ist die Lastverteilung in Zapfenachse Y des Zapfens 11 schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Belastung von den Wälzkörpern 14 auf den Gabelarm 19 mit zunehmendem Abstand von der Drehachse X zunimmt.
Die 5, 6 und 7 zeigen unterschiedliche Darstellungen des Zapfens 11. 5 zeigt eine Draufsicht, 6 einen Schnitt entlang der Schnittlinie VI-VI gemäß 5 und 7 einen Schnitt entlang der Schnittlinie VII-VII gemäß 6. Die 5, 6 und 7 werden im folgenden zusammen beschrieben.
Der Zapfen 11 weist eine Lagerfläche 28 auf, die durch seine Außenumfangsfläche gebildet ist. Die Lagerfläche 28 ist um die Zapfenachse Y angeordnet. Die Lagerfläche 28 unterteilt sich in einen ersten Lagerflächenabschnitt 29, einen zweiten Lagerflächenabschnitt 30 und einen dritten Lagerflächenabschnitt 31. Der erste Lagerflächenabschnitt 29 ist auf einer rotationssymmetrischen Hüllfläche angeordnet. Diese ist vorzugsweise zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet. Im Falle einer kegelstumpfförmigen Hüllfläche verjüngt sich diese geringfügig ausgehend vom Grundkörper 23 in Richtung zur Stirnfläche 12.
Der zweite Lagerflächenabschnitt 30 ist innerhalb der Hüllkurve angeordnet und nähert sich ausgehend vom Grundkörper 23 in Richtung zur Stirnfläche 12 der Zapfenachse Y an. In 6 ist ersichtlich, daß nahe der Stirnfläche 12 ein radialer Abstand a zwischen der Hüllfläche 32 und dem zweiten Lagerflächenabschnitt 30 vorhanden ist. Der zweite Lagerflächenabschnitt 30 ist in Umfangsrichtung im Bereich der Hauptlastzone gemäß 3 angeordnet. Damit wird in einer ersten Drehrichtung eine Lagerlastverteilung in Umfangsrichtung erzielt und aufgrund des axialen Verlaufs des zweiten Lagerflächenabschnitts 30 auch eine Lagerlastverteilung in Axialrichtung.
Der dritte Lagerflächenabschnitt 31 und der zweite Lagerflächenabschnitt 30 sind spiegelsymmetrisch zu der Ebene angeordnet, die durch die Zapfenachse Y und die Drehachse X gebildet ist. Somit wird eine Lagerlastverteilung in beiden Drehrichtungen erzielt.
Die Lagerflächenabschnitte 29, 30, 31 können, wie in 5 dargestellt, dieselbe axiale Länge aufweisen, so daß der erste Lagerflächenabschnitt 29 in Umfangsrichtung betrachtet durch den zweiten Lagerflächenabschnitt 30 und den dritten Lagerflächenabschnitt 31 unterbrochen ist. Ebenso können der zweite Lagerflächenabschnitt 30 und der dritte Lagerflächenabschnitt 31 eine von der Länge des ersten Lagerflächenabschnitts 29 abweichende Länge aufweisen. Somit kann der erste Lagerflächenabschnitt 29 in einem Bereich, der dem Grundkörper 23 zugewandt ist, vollumfänglich ausgebildet sein und lediglich in einen Längenabschnitt in Richtung zur Stirnfläche 12 hin durch den zweiten Lagerflächenabschnitt 30 und den dritten Lagerflächenabschnitt 31 unterbrochen sein.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Lagerfläche 28' durch eine Außenumfangsfläche einer Hülse 26 dargestellt ist, welche auf den Zapfen 11' aufgebracht ist. Die Hülse 26 weist eine zylindrische Innenumfangsfläche auf, die auf den Zapfen 11' mit zylindrischer Außenumfangsfläche z. B. aufgeschrumpft oder auf gepresst sein kann. Der zweite und der dritte Laufflächenabschnitt 30', 31' lassen sich leichter in die Hülse 26 einarbeiten als in den Zapfen 11'. Die Lauffläche 28' lässt sich beispielsweise dadurch fertigen, dass die Hülse 26 vor der Fertigung elastisch verformt wird und im verformten Zustand geschliffen wird, so dass im unverformten Zustand unterschiedliche Laufflächenabschnitte 29', 30', 31 gebildet sind.

1: Kreuzgelenkwelle
2: Kreuzgelenk
3: Kreuzgelenk
4: Welle
5: erste Gelenkgabel
6: erste Gelenkgabel
7: zweite Gelenkgabel
8: zweite Gelenkgabel
9, 9': Zapfenkreuzgarnitur
10: Zapfenkreuz
11, 11': Zapfen
12: Stirnfläche
13: Lagerbuchse
14: Wälzkörper
15: Mantel
16: Boden
17: Bodeninnenfläche
18: Lagerbohrung
19: Gabelarm
20: Bohrung
21: Anlaufscheibe
22: Bohrung
23: Grundkörper
24: Schmiernippel
25: freies Ende
26: Hülse
27: Flansch
28, 28': Lagerfläche
29, 29': erster Lagerflächenabschnitt
30, 30': zweiter Lagerflächenabschnitt
31, 31': dritter Lagerflächenabschnitt
32: Hüllfläche
X: Drehachse
Y: Zapfenachse
Z: Zapfenachse
a: Abstand
Fu: Umfangskraft

Claims

Zapfenkreuzgarnitur mit einem Zapfenkreuz zum Verbinden zweier Gelenkgabeln eines Kreuzgelenkes umfassend einen Grundkörper (23) und vier Zapfen (11), – von denen jeweils zwei Zapfen (11) auf einer gemeinsamen Zapfenachse (Y, Z) zentriert angeordnet sind, wobei die Zapfenachsen (Y, Z) rechtwinklig zueinander verlaufen, – die an den Grundkörper (23) angeformt sind, – die jeweils ein freies Ende (25) aufweisen, und – die jeweils eine Lagerfläche (28) aufweisen, wobei die Lagerflächen (28) mindestens zweier auf einer gemeinsamen Zapfenachse (Y, Z) angeordneten Zapfen (11), – jeweils entweder unmittelbar durch eine Außenumfangsfläche eines Zapfens (11) oder durch eine Außenumfangsfläche einer auf den Zapfen (11') aufgebrachten Hülse (26) dargestellt sind, – jeweils einen ersten Lagerflächenabschnitt (29) aufweisen, der auf einer koaxial zur jeweiligen Zapfenachse (Y, Z) angeordneten rotationssymmetrischen Hüllfläche angeordnet ist, und – jeweils einen zweiten Lagerflächenabschnitt (30) aufweisen, der innerhalb der Hüllfläche angeordnet ist, der in Richtung vom Grundkörper (23) zum jeweiligen freien Ende (25) mit sich kontinuierlich verkleinerndem Abstand zur jeweiligen Zapfenachse (Y, Z) verläuft und der sich über einen Teil des Umfangs des jeweiligen Zapfens (11) erstreckt, und wobei je Zapfen (11) eine Wälzlagerung vorgesehen ist, welche eine zylindrische Außenlagerfläche aufweist und welche Wälzkörper (14) aufweist, die einerseits auf der Lagerfläche (28) des jeweiligen Zapfens (11) und andererseits auf der Außenlagerfläche abwälzend gehalten sind.
Zapfenkreuzgarnitur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerflächenabschnitt (30), im Querschnitt des Zapfens (11) betrachtet, einen stetigen Übergang zum ersten Lagerflächenabschnitt (29) aufweist.
Zapfenkreuzgarnitur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche (32) zylindrisch ausgebildet ist.
Zapfenkreuzgarnitur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche (32) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Zapfenkreuzgarnitur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche (32) in Richtung vom Grundkörper (23) zum freien Ende (25) hin sich verjüngend ausgebildet ist.
Zapfenkreuzgarnitur nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen (11) jeweils einen dritten Lagerflächenabschnitt (31) aufweisen, der entsprechend dem zweiten Lagerflächenabschnitt (30) ausgebildet ist.
Zapfenkreuzgarnitur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerflächenabschnitt (30) und der dritte Lagerflächenabschnitt (31) spiegelsymmetrisch zu derjenigen Ebene angeordnet sind, die die jeweilige Zapfenachse (Y, Z) enthält und die im rechten Winkel zu der Zapfenachse (Y, Z) des jeweilig anderen Zapfenpaares angeordnet ist.
Zapfenkreuzgarnitur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerflächenabschnitt (29) und der zweite Lagerflächenabschnitt (30) bezogen auf die jeweilige Zapfenachse (Y, Z) dieselbe axiale Länge aufweisen.
Zapfenkreuzgarnitur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerflächenabschnitt (30), im Längsschnitt des jeweiligen Zapfens (11) betrachtet, linear verläuft.
Zapfenkreuzgarnitur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlagerfläche durch eine Lagerbüchse (13) gebildet ist.