DE19722141C2 - Gleichlauf-Kugeldrehgelenk mit zwei getrennten Gruppen von Kugeln für die Gleichlaufsteuerung und Drehkraftübertragung - Google Patents
Gleichlauf-Kugeldrehgelenk mit zwei getrennten Gruppen von Kugeln für die Gleichlaufsteuerung und DrehkraftübertragungInfo
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- F16D2003/22303—Details of ball cages
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Description
Die Erfindung betrifft ein homokinetisch arbeitendes Univer
salgelenk mit einander gegenüberliegenden Kugelflächen eines
inneren und äußeren Gelenkkörpers, zwischen denen zur Dreh
momentübertragung Kugeln in koaxialen, sich ergänzenden und
längs der Meridiane auf den Gelenkkörpern verlaufenden Ril
len angeordnet sind. Ferner ist vorgesehen ein Haltekäfig
zwischen den Kugelflächen, indessen Öffnungen zwei Grup
pen von Kugeln gehalten werden. Eine Gruppe der Kugeln über
trägt das Drehmoment; die andere Gruppe der Kugeln dient
zum Führen in der Winkelhalbierenden, angeordnet in einer
zweiten Rillengruppe, die symmetrisch zum Gelenkmittel
punkt 0 als Meridian verläuft.
Bekannt ist ein solches Gleichlauf-Kugeldrehgelenk aus der DE-OS 18 17 284, in dem die
Steuerung der kleinen Kugeln in die Gleichlaufebene nach
dem Prinzip der "Stuber-Steuerung" erfolgt und deren Ril
len um einen gleichmässig und symmetrisch außerhalb des
Gelenkmittelpunktes 0 liegenden Punkt als Meridian verlau
fen. Dieses Gelenk weist mehrere Mängel auf, wie Verklem
mungen und Reibverluste, wodurch seine Verwendbarkeit er
heblich eingeschränkt ist. Ursachen sind:
- - überbestimmte Gelenklagerung (Doppelzentrierung) durch den Käfig und die Kugeln,
- - Selbsthemmung des zentrierten Käfigs an seiner äußeren und inneren kugeligen Rundung,
- - grössere Dicke des Käfigs und damit eingeschränkte Ril lentiefe wegen der radialen Bewegung der kleinen Kugeln,
- - der hohe axiale Abstützdruck des Käfigs ergibt Reibungs verluste durch die Drehkraftbelastung,
- - wegen der erforderlichen Spielverbauung der Steuerkugeln nimmt nur ihre halbe Anzahl am Steuervorgang teil.
Es soll ein Kugeldrehgelenk geschaffen werden, das
weder klemmt, noch in der Kraftübertragung Verluste
enthält.
In diesem Gelenk werden in zwei getrennten Kugelgrup
pen die drehmomentübertragenden Kugeln störungsfrei
gesteuert. Sämtliche Kugeln kommen zum Tragen. Ein
Käfig hält die beiden Kugelgruppen zusammen: eine
zur Drehmomentübertragung, die andere zur Führung in
die Winkelhalbierende. Der Käfig ist frei von Axial
belastungen. Der Gleichlauf entsteht beim schlupf
freien Abrollen der Steuerkugeln, wenn die Winkelge
schwindigkeiten in der äusseren und inneren Rille
gleichgross sind. Radiale Bewegungen der Steuerkugeln
werden vermieden.
Das Gelenk ist vorteilhaft in allen Übertragungs
aufgaben mit grossen Beugungswinkeln, besonders an
Kraftfahrzeugen.
Durch die Erfindung entsteht ein Gelenk mit einer eigen
ständigen und störungsfreien Steuerung der Kugeln
in die Gleichlaufebene. Gemäss der Erfindung folgen Ril
lenverlauf und Rillenquerschnitt für die Steuerkugeln
einer festen Gesetzmäßigkeit der Wälzlagertechnik, wobei:
- 1. die Steuerkugeln 12 allein das Gelenk zentrieren,
- 2. der Querschnitt der Steuerrillen 7 und 8 drei Kontakt stellen für die Kugeln 12 aufweist,
- 3. die Steuerrillen 8 im äußeren Gelenkkörper 4 im Rillengrund 17 kugelför mig ausgebildet sind und der Kugelradius R + d/2 seinen Ursprung in der Gelenkmitte 0 hat,
- 4. die Kontaktstelle der Rille 8 im äußeren Gelenkkörper 4 im Rillengrund 17 angeordnet ist,
- 5. der Rillenquerschnitt 7 im inneren Gelenkkörper 3 vor zugsweise einer Spitzbogenform entspricht,
- 6. die beiden Kontaktsteuern der Rille 7 einen
Kontaktwinkel αi aufweisen dessen Größe sich aus
errechnet, - 7. die Steuerkugeln 12 angestellt (vorgespannt) montiert sind,
- 8. jede einzelne Rille 9 und 10 für die drehmomentübertragenden Kugeln 13 als Kugel fläche um den Gelenkmittelpunkt ausgeführt ist,
- 9. die Kugeln 13 mit Spiel verbaut sind, das gleich oder grösser ist als der gesamte Teilungsfehler der Rillen 9/10,
- 10. das radiale Kugelspiel 19 in den Rillen 9/10 halb so gross ist wie das Drehspiel 18,
- 11. keine der Kugeln 12 und 13 radiale Bewegungen ausführt, weshalb der Käfig 11 sehr dünnwandig ist,
- 12. sämtliche Kugeln 12 und 13 des Gelenks im Betrieb un unterbrochen spielfrei arbeiten,
- 13. die Steuerrillen 7 konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt 0 angeordnet sind,
- 14. der Käfig 11 auf dem Innenkörper 3 zentriert ist,
- 15. der Käfig 11 zur Kugelflächenzone 6 des äußeren Ge lenkkörpers 4 Spiel hat,
- 16. der Rillengrund von 9 und 10 mit einer Freidrehung 20 versehen ist,
- 17. alle Kugeln 12 und 13 axial spielfrei in den Schlitzen 15 und 16 des Käfigs 11 geführt sind.
- 18. die Kugelgruppen 12 und 13 gleichgross ausgeführt sind.
Folgende Zeichnungen erläutern die Erfindung:
Fig. 1: das Gelenk im Längsschnitt längs der Linie I/I
nach Fig. 2,
Fig. 2: das Gelenk im Querschnitt längs der Linie II/II
nach Fig. 1,
Fig. 3: die Abwicklung des Käfigs,
Fig. 4: Einzelheit III des Rillenquerschnittes der Steuer-
Kugel nach Fig. 2,
Fig. 5: Einzelheit IV des Rillenquerschnittes der Drehkraft
übertragenden Kugel nach Fig. 2,
Fig. 6: die Ableitung der Kontaktpunkte im inneren
Rillenquerschnitt nach Fig. 4.
Fig. 1 zeigt das Gelenk mit konzentrischen Rillen im ge
streckten Zustand. Die Gelenkanschlüsse sind gegeben
durch die Welle 1 mit einer Keilverzahnung 2 des inneren
Gelenkkörpers 3 und dem Zapfenanschluß 14 des äußeren
Gelenkkörpers 4. Der innere Gelenkkörper 3 besitzt eine
Kugelflächenzone 5, der äußere Gelenkkörper 4 analog
eine Kugelflächenzone 6, beide mit dem gleichen Mittel
punkt 0, der gleichzeitig der Gelenkmittelpunkt ist. In
diesen beiden konzentrisch zueinander liegenden Kugel
flächenzonen 5 und 6 laufen zwei Gruppen von Kugelgrös
sen mit jeweils einander gegenüberliegenden Rillen 7 und
8 bzw. 9 und 10, die konzentrisch zum Gelenkmittelpunkt 0
angeordnet sind. Zwischen den Kugelflächenzonen 5 und 6
befindet sich der Kugelkäfig 11, der in jeder der Rillen
7 und 8, 9 und 10 eine Kugel 12 bzw. 13 hält.
In Fig. 2 ist der Aufbau des Gelenkes mit den beiden
Kugelgruppen der Grösse 12 und 13 gezeigt. Der Käfig 11
ist auf der Kugelflächenzone 5 des inneren Gelenkkörpers 3
zentriert und hat zur Kugelflächenzone 6 des äußeren Ge
lenkkörpers 4 Spiel.
Fig. 3 zeigt die Abwicklung des Käfigs 11 mit den Führungs
schlitzen 15 und 16 für die Kugeln 12 und 13, die darin
spielfrei geführt sind. Der Käfig 11 ist frei von Axialbe
lastungen und hat lediglich Führungsaufgaben zu erfüllen.
Fig. 4 erläutert die Funktion des homokineti
schen Gelenkgleichlaufs durch die Steuerkugel 12. Gleich
lauf entsteht beim schlupffreien Abrollen der Steuerkugel
12 in den Rillen 7 und 8, wenn die Winkelgeschwindigkeiten
der Steuerkugel 12 in der äusseren Rille 8 und der inneren
Rille 7 gleich gross sind und die Steuerkugel 12 keine
Drehkraftübertragung zulässt. Dazu ist der Rillengrund 17
der äußeren Rille 8 kugelförmig gestaltet mit dem Kugel
radius R + d/2 = Rollkreisradius R plus halber Kugeldurch
messer d/2, der Übergang zur inneren Kugelflächen-Innen
zone 6 des äußeren Gelenkkörpers 3 beliebig. Der innere
Rillenquerschnitt 7 erhält elliptische oder Spitzbogen-
Form. Die Grösse des Kontaktwinkels αi in der inneren
Rille 7 errechnet sich aus dem Verhältnis:
wobei R = Rollkreisradius und d = Steuerkugel-∅.
Fig. 5 zeigt die Drehkraftübertragung über die Kugeln 13
in den Rillen 9 und 10. Da gem. Erfindung die Kraftüber
tragung an der Kugel 13 an den Kontaktstellen mit den
Rillen 9 und 10 genau gegenüberliegen müssen, werden der
einfacheren Fertigung halber die Querschnitte der Rillen
9 und 10 kreisförmig bearbeitet. Das Drehspiel 18 ist
gleich oder grösser als der gesamte Teilungsfehler der
Rillen 9 und 10, während das Beugespiel 19 des Gelenks
halb so gross ist wie das Drehspiel 18. Auf diese Weise
werden gleichgrosse Kontaktwinkel an der Kugel 13 im
Bereich um 45° erreicht. Im Betrieb kommen gem. Erfindung
sämtliche Kugeln 13 zum Tragen. Um eine Verklemmung an
einer möglicherweise angestellten Kugel 13 zu verhindern,
ist der Rillengrund von 9 und 10 mit einer Freidrehung 20
versehen.
Fig. 6 zeigt, welcher Kontaktwinkel αi erforderlich ist,
damit zu einem gegebenen Kontaktwinkel αa gleiche Win
kelgeschwindigkeiten an der abrollenden, angestellten Ku
gel 12 entstehen: bewegt sich die Kugel d mit der glei
chen Winkelgeschwindigkeit ω in der äußeren Rille 8 und
in der inneren Rille 7, dann liegt eine schlupffreie Roll
bewegung vor. Die Beziehung zwischen dem äußeren Kontakt
winkel αa und dem inneren Kontaktwinkel αi zum Ver
hältnis R/d lässt sich nach Fig. 6 ableiten zu:
Wird für αa = 0 eingesetzt, dann gilt
Claims (1)
- Homokinetisch arbeitendes Universalgelenk mit einem inneren und äußeren Gelenkkörper, zwischen denen zur Dreh momentübertragung Kugeln in konzentrisch zum Gelenkmittel punkt längs der Meridiane verlaufenden Rillen des inneren und äußeren Gelenkkörpers angeordnet sind, und mit einem zwischen den Gelenkkörpern vorgesehenen Haltekäfig, in dessen Öffnungen außer der Gruppe der drehmomentübertra genden Kugeln eine Gruppe von Steuerkugeln zum Führen des Haltekäfigs in der Winkelhalbierenden in einer Gruppe von Steuerrillen, die ebenfalls konzentrisch zum Gelenkmittel punkt längs der Meridiane verlaufen, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Steuerrillen (8) nur eine Kontaktstelle und die zugehörigen inneren Steuerrillen (7) zwei Kontakt stellen für die jeweilige Steuerkugel (12) aufweisen, wobei der die Kontaktstelle aufweisende Rillengrund der äußeren Steuerrille (8) eine zum Gelenkmittelpunkt konzentrische Kugelfläche ist.
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DE1997122141 DE19722141C2 (de) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | Gleichlauf-Kugeldrehgelenk mit zwei getrennten Gruppen von Kugeln für die Gleichlaufsteuerung und Drehkraftübertragung |
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DE1997136640 Withdrawn - After Issue DE19736640C2 (de) | 1997-05-27 | 1997-08-22 | Gleichlauf-Kugeldrehgelenk mit kombinierter Gleichlaufsteuerung und Drehkraftübertragung in zwei Ebenen |
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