DE19953963A1 - Gelenkgabel und Verfahren zur Herstellung einer Stützfläche zur Realisierung einer gleichmäßigen Lastverteilung und Lageranordnung - Google Patents
Gelenkgabel und Verfahren zur Herstellung einer Stützfläche zur Realisierung einer gleichmäßigen Lastverteilung und LageranordnungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gelenkgabel für den Einsatz in Gelenkwellen; DOLLAR A mit wenigstens einem Fußteil zur Kopplung an ein antriebs- oder abtriebsseitiges Maschinenelement; DOLLAR A mit wenigstens einem Lagerteil, umfassend eine Lagerbohrung, welche eine Stützfläche zur Abstützung wenigstens eines Teilbereiches einer Wälzlageranordnung zur Lagerung eines Zapfens eines Zapfenkreuzes in der Gelenkgabel bildet. DOLLAR A Die Erfindung ist gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: DOLLAR A Die Stützfläche weist wenigstens im Bereich der im montierten Zustand bei Drehmomentenübertragung höchst beanspruchten Wälzelemente der Wälzlageranordnung eine örtliche Ausnehmung auf.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gelenkgabel, im einzelnen mit den Merkmalen aus
dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner ein Verfahren zur Herstellung einer
Stützfläche zur Realisierung einer gleichmäßigen Lastverteilung auf die
Wälzkörper einer Lageranordnung für Zapfen von Zapfenkreuzen in einer
Gelenkgabel und eine Lageranordnung zur Lagerung eines Zapfens in einer
Gelenkgabel.
Gelenkgabeln für den Einsatz in Gelenkwellen dienen der Kopplung zwischen
einem antriebseitigen Maschinenelement und einem abtriebseitigem
Maschinenelement. Zu diesem Zweck weisen diese wenigstens einen Fußteil,
welcher mit dem an- oder abtriebseitigem Maschinenelement koppelbar ist
und Lagerteile zur Abstützung der Zapfen eines zur
Drehmomentenübertragung verwendeten Zapfenkreuzes auf. Die Gelenkgabel
kann dabei einteilig oder mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig in Form von zwei
Gelenkgabelhälften, umfassend jeweils einen Fußteil und einen Lagerteil,
ausgeführt sein. Lagerungen für Zapfen von Zapfenkreuzen in der
Gelenkgabel, beziehungsweise den einzelnen Gelenkgabelhälften sind in
einer Vielzahl von Ausführungen für eine Vielzahl von Einsatzbeispielen
bekannt. Stellvertretend wird dazu auf die nachfolgend genannten
Druckschriften verwiesen:
- 1. Sonderdruck VOITH Forschung und Konstruktion, Heft 33, (1989, Aufsatz 10: "Entwicklung wälzgelagerter Gelenkwellen für die Hauptantriebe schwerer Walzgerüste")
- 2. DE 35 44 253 C1
- 3. DE 34 46 495 C2
Diese Druckschriften offenbaren Ausführungen von Kreuzgelenkanordnungen
für Gelenkwellen, bei welcher zur Anwendung des Zapfenkreuzes in der
Gelenkgabel die dafür vorgesehene Lageranordnung wenigstens ein
Radiallager und vorzugsweise zusätzlich auch ein Axiallager umfassen. Das
Radiallager ist dabei als Wälzlager ausgeführt und umfaßt wenigstens einen
Innen- und einen Außenring, wobei diese jeweils die Laufbahnen für die
Wälzkörper bilden. Die Problematik dieser Lageranordnungen für die Zapfen
von Zapfenkreuzen von Gelenkwellen besteht dabei im wesentlichen darin,
daß die einzelnen Wälzlager durch hohe Drehmomentstöße und gleichzeitig
Querbeschleunigungen beansprucht werden. Die stoßartigen Belastungen bei
großen und sich rasch verändernden Beugewinkeln verursachen dabei
elastische Verformungen in der Gelenkgabel sowohl im Bereich der Fuß- bzw.
Anschlußteile, als auch innerhalb der Lagerbohrung des Lagerteiles. Die
Bohrung weitet sich auf und nimmt in der Regel eine unrunde Form an. Die
größte Verformung am Zapfenkreuz verursacht jedoch die Einleitung der
Umfangskraft. Ihre Richtung oszilliert mit dem positiven oder negativen Wert
des Betriebsbeugewinkels und wechselt außerdem mit jedem
Reversiervorgang. Diese betriebs- sowie konstruktionsbedingten Einflüsse
ergeben Fluchtungsfehler mit einer ungünstigen Lasteinleitung in die Lager,
nämlich einen Mittenversatz der Lagerbohrung/Schrägstellung der
Lagerbohrung, Durchbiegung des Zapfens, ein Radialspiel im Wälzlager und
die Einfederung des Wälzlagers. Diese Problematik kommt besonders bei
einer relativ starren Lagerumgebung in der Gelenkgabel und beim Einsatz in
schweren Gelenkwellen zum Tragen. Die Folge davon ist eine ungleichmäßige
radiale Druckverteilung in der Lagerbohrung, welche von einer Linien- zur
Punktberührung an den Kontaktstellen der Wälzkörper des Radiallagers und
zu überhöhten Kantenspannungen führt.
Die größte Verformung während des Betriebes beim Einsatz in Gelenkwellen
erfolgt im Bereich der Wurzeln der einzelnen Zapfen eines Zapfenkreuzes, da
hier die Krümmung der Biegelinie analog dem Biegemoment am größten ist.
Für das Radiallager ergibt sich dabei unter dem Einfluß der Umfangskraft eine
erhöhte Beanspruchung der Wälzkörper in Umfangsrichtung im Bereich der
Lagerbohrung, was erhöhte Kantenspannungen in einem Segment des
Radiallagers bedingt, während am gegenüberliegenden Segment ein
Abheben der Rollen zu beobachten ist. Dies führt zu einer drastischen
Tragzahlminderung.
Das ungleichmäßige Tragverhalten führt des weiteren auch zu einer
ungleichmäßigen Belastung der einzelnen Elemente der Lageranordnung,
insbesondere der Laufbahnen. Diese ist durch Materialabtrag im Bereich der
hoch beanspruchten Stellen charakterisiert. Um diesen zu vermeiden, wurden
daher bisher die Laufbahnen einer entsprechenden Oberflächenbehandlung
unterzogen, welche die negativen Einflüsse einer ungleichen Lasteinleitung
weitestgehend vermeiden sollen. Diese Lösung ist jedoch sehr kostenintensiv.
Des weiteren erlaubt eine derartige Lösung nur bedingt die Verwendung
standardisierter Lageranordnungen für Gelenkwellen.
Zur Verhinderung der Tragzahlminderung schlagen die einzelnen
Ausführungen der oben genannten Druckschriften Lösungen vor, welche bei
der konstruktiven Ausführung, insbesondere der Auslegung der einzelnen
Bauelemente, immer auf die möglicherweise auftretenden Verformungswege
abstellen, um mit einer eigentlich gewünschten steifen
Lageranschlußkonstruktion ein gutes Tragbild und damit eine hohe
Lebensdauer der Lager zu erzielen. Derartige Lösungen sind jedoch
konstruktiv sehr aufwendig und daher auch kostenintensiv.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Realisierung
einer möglichst gleichmäßigen Lastverteilung auf die Lageranordnung zur
Lagerung von Zapfen von Zapfenkreuzen in Gelenkgabeln von Gelenkwellen
zu entwickeln, welche durch einen einfachen Aufbau sowie eine geringe
Anzahl von Bauteilen charakterisiert ist. Des weiteren soll die vorgeschlagene
Lösung sich durch einen geringen fertigungstechnischen Aufwand sowie
niedrige Kosten auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1, 14
und 16 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den
Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Gelenkgabel für den Einsatz in Gelenkwellen umfaßt wenigstens einen
Fußteil zum Anschluß an ein antriebseitiges oder abtriebseitiges
Maschinenelement und wenigstens einen Lagerteil, mit einer Lagerbohrung
zur Lagerung eines Zapfens einer Zapfenkreuzanordnung. Die Lagerbohrung
bildet dabei eine Stützfläche für wenigstens einen Teil einer
Wälzlageranordnung zur Lagerung eines Zapfens von Zapfenkreuzen.
Erfindungsgemäß weist die Stützfläche wenigstens im Bereich der im
montierten Zustand bei Drehmomentenübertragung am höchsten
beanspruchten Wälzkörper der Wälzlageranordnung eine örtliche
Ausnehmung auf.
Die Lage und/oder das Profil der Ausnehmung wird dabei vom Belastungfall
bestimmt, welcher durch wenigstens eine der nachfolgend genannten Größen
charakterisierbar ist:
- a) Höhe der zu übertragenden Kraft und/oder
- b) Geometrie der Lageranschlußelemente, insbesondere Zapfenkreuz, Gelenkgabel und/oder
- c) Verformungen bzw. Verformungswege unter Last, insbesondere der Lageranschlußelemente Gelenkgabel und Zapfenkreuz sowie der Einzelelemente der Lageranordnung, insbesondere Wälzkörper und/oder
- d) Lagerspiel.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es möglich, daß bei
Leistungsübertragung die Radialkräfte nahezu gleichmäßig vom in der
Gelenkgabel gelagerten Zapfenkreuz in die Lageranordnung eingeleitet
werden und auf die Lageranschlußelemente, das heißt die Gelenkgabel,
übertragen werden. Die Lagerbohrung der Gelenkgabel, welche im Lagerteil
der Gelenkgabel eingearbeitet ist, erfährt dabei eine erhebliche Entlastung,
welche bei circa 40% liegt. Die einzelnen Wälzkörper erfahren unter dem
Einfluß der Umfangskraft in Umfangsrichtung bei Verformung des
Zapfenkreuzes und mit dem Einfluß der Umfangskraft ein nahezu
gleichmäßiges Aufliegen an der äußeren Laufbahn, was zu einem
gleichmäßigen Abwälzen und damit einer gleichmäßigen Kraftübertragung auf
das die äußere Laufbahn tragende Element und das an dieses sich
anschließende Element ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich des weiteren durch einen
geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand aus. Die mit
dieser Lösung erzielbare Lebensdauererhöhung für die Lageranordnungen
durch Schaffung einer Stützfläche zur gleichmäßigen Lastverteilung an den
Wälzkörpern beträgt circa 40%. Der bei konventionellen Ausführungen mit
einer parallelen Stützfläche zum Außenumfang der Lageranordnung
ansonsten entstehender Abrieb wird durch das Vorsehen von örtlichen
Ausnehmungen in der Stützfläche in den Bereichen, welche der Abstützung
der Wälzelemente beziehungsweise Wälzkörper, welche am höchsten belastet
werden, dient, wird vermieden, da in diesem Bereich die an der Stützfläche
wirksam werdenden Kräfte unter anderem durch Verformung reduziert
werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ist für Gelenkgabeln anwendbar, welche
einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind. Im erstgenannten Fall umfaßt die
Gelenkgabel einen Fußteil und zwei Lagerteile mit jeweils einer Lagerbohrung.
Im zweiten Fall umfaßt jede Gelenkgabelhälfte einen Fußteil und einen
Lagerteil, wobei die beiden Gelenkgabelhälften in axialer und/oder radialer
Richtung miteinander verbindbar sind.
Vorzugsweise werden in Abhängigkeit der theoretisch zu erwartenden
Belastung die Ausnehmungen in der Stützfläche in Einbaulage im
Betriebszustand betrachtet bei Drehmomentenübertragung in den in
Umfangsrichtung weisenden Flächenbereichen der Stützfläche angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung erfolgt die Anordnung der örtlichen
Ausnehmungen in der Stützfläche symmetrisch bezogen auf die Zapfenachse
des in der Gelenkgabel gelagerten Zapfens eines Zapfenkreuzes und/oder
symmetrisch bezogen auf eine Ebene, welche durch die Gelenkachse und die
Zapfenachse des in der Gelenkgabel gelagerten Zapfens beschreibbar ist. Die
symmetrische Ausführung der Stützfläche ermöglicht den Einsatz in einer
Gelenkwelle unabhängig von der gewünschten Rotationsrichtung der
Gelenkwelle, worauf in diesem Fall beim Einbau der Gelenkgabeln nicht
geachtet werden muß.
Für die Ausführung der örtlich in der Stützfläche vorzunehmenden
Ausnehmungen bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten. Die Ausnehmung
kann dabei durch wenigstens eine der nachfolgend genannten Größen
beschrieben werden:
- a) Profil der Ausnehmung parallel zur Zapfenachse des in der Gelenkgabel zu lagernden Zapfens in Richtung zur Gelenkachse hin betrachtet in einer Ebene, welche senkrecht zur Ebene, die sich durch die Gelenkachse und die Zapfenachse beschreiben läßt, ausgerichtet ist und/oder
- b) Erstreckung der Ausnehmung in Richtung zur Gelenkachse parallel zur Zapfenachse betrachtet und/oder
- c) Erstreckung der Ausnehmung in radialer Richtung bezüglich der Zapfenachse in Einbaulage des Zapfens betrachtet, insbesondere in Umfangsrichtung der Stützfläche und/oder
- d) Änderung des Profils über die Erstreckung in Richtung zur Gelenkachse parallel zur Zapfenachse und/oder
- e) Änderung in Richtung der Erstreckung der Ausnehmung in Umfangsrichtung.
Das Profil wiederum ist durch die Profiltiefe, die Profilbreite und die Form
charakterisiert. Vorzugsweise werden Profilverläufe erzeugt, die sich auf .
einfache Art und Weise mit möglichst einem Arbeitsgang herstellen lassen. In
einer bevorzugten Ausführung verringert sich dabei die Profilbreite und die
Profiltiefe von der Außenfläche der Gelenkgabel in Richtung der Gelenkachse
parallel zur Zapfenachse des in der Gelenkgabel gelagerten Zapfens
betrachtet. Mit dieser Ausführung werden die besonders hohen Belasungen
auf die im Bereich der Außenfläche der Gelenkgabel angeordneten Lagerteile
drastisch reduziert.
In einer Weiterentwicklung ist es vorgesehen, die Oberfläche der Stützfläche
einer speziellen Oberflächenbehandlung zu unterziehen. Diese
Oberflächenbehandlung dient der Beeinflussung der mechanischen
Eigenschaften des Bauelementes Gelenkgabel im Bereich der Lagerbohrung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, die
Stützfläche beziehungsweisse einen Teil der Stützfläche mit einer Perforation
zu versehen. Dadurch wird die Stützstruktur in ihrer Gesamtheit elastisch oder
plastisch verformbar, so daß die Kraftspitzen durch Verformungsarbeit
abgebaut werden.
Vorzugsweise wird eine Ausführung der Ausnehmung gewählt, welche mit
möglichst wenig Arbeitsaufwand, das heißt wenigen Bearbeitungsschritten aus
der bereits vorhandenen Lagerbohrung erzeugt werden kann. Als mögliche
Arbeitsverfahren gelangen dabei die nachfolgend genannten zum Einsatz:
- - Schleifen
- - Fräsen
- - die Verwendung von CNC-Spindeln, für die eine von der Kreisgeometrie abweichende Geometrie programmiert wird
- - Erosion, insbesondere Funkenerosion
- - Verdichten
- - Auftragen von Beschichtungsmaterial, beispielsweise Verchromung
- - Schaben
- - Perforieren
Im einfachsten Fall wird lediglich die zur Erzeugung der Lagerbohrung
eingesetzte Werkzeugspindel zur Erzeugung der Ausnehmung in
Umfangsrichtung um einen bestimmten Winkel um die Zapfenachse des in
der Gelenkgabel zu lagernden Zapfens eines Zapfenkreuzes, welche der
theoretischen Mittenachse der Lagerbohrung entspricht, geneigt und der
Bearbeitungsvorgang noch einmal durchgeführt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist des weiteren für jegliche Ausführung von
Gelenkgabeln geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob die Lagerbohrung
durchgängig gestaltet ist oder aber eine geschlossene Ausführung aufweist,
das heißt, daß die Lagerbohrung lediglich in die Gelenkgabel als
Blindbohrung eingearbeitet ist.
Entsprechend einem weiteren Lösungsansatz ist die örtliche Ausnehmung
bereits am Außenring des Radiallagers im Bereich der bei
Drehmomentübertragung höchst beanspruchten Wälzelemente eingearbeitet.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren
erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine
erfindungsgemäß gestaltete Gelenkgabelhälfte mit einer
Ausnehmung in der Stützfläche;
Fig. 2a und 2b
verdeutlichen einander gegenübergestellt die Problematik der
ungleichmäßigen Beanspruchung der Wälzkörper bei
Drehmomentenübertragung in Umfangsrichtung betrachtet für
eine konventionelle Lagerausführung aus dem Stand der
Technik mit zylindrischen, das heißt parallel zueinander
ausgeführten Laufflächen und die sich einstellende
Kraftverteilung für den Einsatz in Schwergelenkwellen sowie die
sich einstellende Kraftverteilung an einer erfindungsgemäß
gestalteten Lagerbohrung;
Fig. 3 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung anhand
einer Schnittdarstellung durch eine Gelenkgabelhälfte ein
bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Stützkonstruktion.
Die Fig. 2a1 bis 2a4 verdeutlichen in schematisch vereinfachter und nicht
maßstäblicher Darstellung die sich bei einer konventionellen Ausführung einer
Gelenkgabel mit zylindrischer Stützfläche in der Lagerbohrung einstellende
Verformungen und damit die Kraftverteilung in der Lageranordnung. Dazu ist
ein Ausschnitt aus einer Kreuzgelenkanordnung 1 für eine Zapfenlagerung 2
in Einbaulage in einer Schnittdarstellung durch ein in der Gelenkgabel 4
gelagertes Zapfenkreuz 3 in einer durch die Zapfenachse 21 und einer
senkrechten zur Gelenkachse G beschreibbaren Ebene nicht maßstäblich
dargestellt. Die Fig. 2a1 und 2a2 verdeutlichen dabei lediglich die
Lagerung eines Zapfens 6 der Zapfenanordnung 5 in einer ersten
Gelenkgabelhälfte 4.1 der Gelenkgabel. Mit strichpunktierten Linien sind dabei
die Ausgangslagen ohne Belastung der einzelnen Lageranschlußelemente
Zapfenkreuz 3 und Gelenkgabelhälfte 4.1 dargestellt. Die durchgängigen
Linien verdeutlichen die sich unter dem Einfluß der Umfangskraft
einstellenden Verformungen an den Lageranschlußelementen Zapfenkreuz 3
und Gelenkgabelhälfte 4.1. Die Gelenkgabelhälfte 4.1 umfaßt einen Fußteil 7
und einen Lagerteil 8, in welchem eine Lagerbohrung 9 angeordnet ist. Die
Lagerbohrung 9 bildet dabei eine Stützfläche 10 zur Abstützung wenigsten
eines Teiles einer, hier im einzelnen nicht dargestellten Wälzlageranordnung
zur Lagerung des Zapfens 6 des Zapfenkreuzes 3 in der Lagerbohrung 9 der
Gelenkgabelhälfte 4.1. Die aufgrund des Neigungswinkels α der
Zapfenbiegelinie sich einstellende Schrägstellung βB der Lagerbohrung
bewirkt, daß die einzelnen Elemente der hier im einzelnen nicht dargestellten
Wälzlageranordnung, welche in der Lagerbohrung 9 zur Lagerung des
Zapfens 6 vorgesehen ist, nicht in entsprechender Weise parallel zueinander
unter Belastung geführt werden können, sondern eine Neigung der
laufbahntragenden Elemente der Lageranordnung und damit der Wälzkörper
erfolgt. Unter dem Einfluß der Umfangskraft kommt es des weiteren zu einer
Verschiebung fB der Lagerbohrung 9. Der Gesamtweg der sich einstellenden
Verschiebungen ist mit fG gekennzeichnet. γ gibt in der Fig. 2a den
Gesamtverdrehwinkel an.
Die aus diesen dargestellten Verformungen resultierenden Kraftverteilungen
für die Wälzlageranordnung 11 sind in den Fig. 2a3 und 2a4 in zwei
Ansichten wiedergegeben. Die Fig. 2a3 verdeutlicht dabei eine Ansicht
gemäß der Fig. 2a2, während die Fig. 2a4 noch einmal die Ansicht gemäß
der Fig. 2a1 jedoch mit dargestellter Wälzlageranordnung 11 und einem
Ausschnitt aus dem Zapfenkreuz ohne Gelenkgabelhälfte verdeutlicht.
Die Wälzlageranordnung 11 umfaßt wenigstens ein Radiallager 12 mit jeweils
einem Außenring 13, den Wälzelementen 14 und einem Innenring 15. Der
Innenring 15 bildet dabei eine erste innere Lauffläche 16 für die Wälzelemente
14, während der Außenring 13 eine zweite äußere Lauffläche 17 für die
Wälzelemente 14 bildet. Das Vorhandensein von Innenring 15
beziehungsweise Außenring 13 ist nicht zwingend erforderlich. Denkbar sind
auch Ausführungen der Wälzlageranordnung 11, bei welchen die
Lageranschlußelemente, im einzelnen das Zapfenkreuz 3 beziehungsweise
der Zapfen 6 und die Gelenkgabelhälfte 4.1 als laufbahntragende Elemente
fungieren.
Aus den Fig. 2a3 und 2a4 wird ersichtlich, daß unter dem Einfluß der
Umfangskraft die sich einstellende Kraftverteilung auf die Wälzelemente 14 der
Wälzlageranordnung 11 im Bereich der Außenfläche 18 der Gelenkgabelhälfte
4.1 und in den Flächenbereichen der Stützfläche 10, welche in
Umfangsrichtung weisen und die hier mit 19 bezeichnet sind, am größten ist.
Die Kräfte ergeben sich dabei aus den auf die Stützfläche 10 wirkenden
Druckspannungen, die wiederum durch die Axiallast, Biegung und Radiallast
bestimmt werden. Die Umfangskraft oder Tangentialkraft auf die Wälzelemente
11 in Richtung der Stützfläche 10 sind in diesen Bereichen am größten,
während in Umfangsrichtung betrachtet am, bezogen auf die Symmetrieachse
SGH der Gelenkgabelhälfte 4.1, welche senkrecht zur Lagerbohrungsachse,
welche der Zapfenachse Z1 des in der Lagerbohrung 9 gelagerten Zapfens 6
der Zapfenanordnung 5 entspricht, verläuft, symmetrisch angeordnet sind, ein
Abheben der Wälzelemente 14 zu beobachten ist. Dieses nicht flächige
Anliegen der Wälzelemente 14 an den Laufbahnen beziehungsweise den die
Laufbahnen für die Wälzelemente 14 bildenden Elementen, insbesondere dem
Außenring 13 und dem Innenring 15 führt zu einer Minderung der
Tragfähigkeit der gesamten Wälzlageranordnung 11. Die ungleichmäßigen
Belastungen auf die Lageranschlußelemente, insbesondere den Lagerteil 8
der Gelenkgabelhälfte 4.1 führen zu entsprechenden
Ermüdungserscheinungen in den hoch belasteten Bereichen.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Stützfläche 10, welche von
der Lagerbohrung 9 gebildet wird, örtlich in den Bereichen, welche die
höchstbelasteten Wälzelemente 14 der Wälzlageranordnung 11 abstützen, mit
Ausnehmungen 20 zu Versehen. Aus Gründen der Verdeutlichung ist die
Gelenkgabelhälfte 4.1 am dargestellten Fall geschnitten wiedergegeben,
während die in die Stützfläche 10 eingearbeitete örtliche Ausnehmung 20
doppelt schraffiert wiedergegeben ist. Daraus wird ersichtlich, daß die örtliche
Ausnehmung 20 sich im wesentlichen von der Außenfläche 18 der
Gelenkgabelhälfte 4.1 in Richtung der Gelenkachse parallel zur Zapfenachse
21 erstreckt, vorzugsweise wie in der Fig. 1a wiedergegeben über die
gesamte Erstreckung der Lagerbohrung 9 in Richtung parallel zur
Zapfenachse 21. Des weiteren erstreckt sich die Ausnehmung 20 in
Umfangsrichtung, das heißt in radialer Richtung bezogen auf die Zapfenachse
21 betrachtet in der Lagerbohrung 9. Die Erstreckung in Umfangsrichtung
erfolgt dabei über die Erstreckung in Richtung zur Gelenkachse G parallel zur
Zapfenachse 21 mit unterschiedlicher Größe. Entsprechend der sich gemäß
den Fig. 2a3 und 2a4 bei einer konventionellen Ausführung mit
zylindrischer Lagerbohrung 9 darstellenden Belastung weist die Ausnehmung
20 im Bereich der Außenfläche 18 der Gelenkgabelhälfte 4.1 in der
Lagerbohrung 9 die größten Abmessungen hinsichtlich der Tiefe t und der
Erstreckung in Umfangsrichtung, hier als Breite b bezeichnet, auf. In Richtung
der Gelenkachse verringern sich dabei diese Abmessungen. Die mit dieser
Stützkonstruktion erzielbare Kraftverteilung in der Lagerbohrung ist in den
Fig. 2b1 und 2b2 dargestellt.
Die Fig. 1b verdeutlicht anhand einer Schnittdarstellung dabei anhand zweier
Ansichten I-I und II-II einander gegenübergestellt, die Änderung des
Profilverlaufes der Ausnehmung 20 in Richtung der Gelenkachse G parallel
zur Zapfenachse 21 ausgehend von der Außenfläche 18 der
Gelenkgabelhälfte 4.1 betrachtet. Daraus wird ersichtlich, daß die Profilbreite
b1 und die Profiltiefe t1 im Bereich der Außenfläche 18 der Gelenkgabelfläche
4.1 erheblich größer ausgeführt sind, als im Bereich der Innenfläche 22 der
Gelenkgabelhälfte 4.1. Die Abmessungen in diesem Bereich sind mit b2 und
t2 bezeichnet.
Die in den Fig. 1a und 1b dargestellte Ausführung einer Ausnehmung 20
stellt eine bevorzugte Ausgestaltung dar. Die erfindungsgemäße Lösung ist
jedoch nicht an diese Ausführung gebunden. Denkbar sind Modifikationen in
der Profildarstellung, insbesondere hinsichtlich der Form des Profils der
Ausnehmung und/oder der Auslegung des Profils hinsichtlich seiner Breite,
Tiefe und Länge, das heißt Erstreckung in Richtung zur Gelenkachse G
parallel zur Zapfenachse Z1 des in der Gelenkgabelhälfte 4.1 gelagerten
Zapfens. Die konkrete Ausgestaltung der Ausnehmung 20 hängt dabei vom
konkreten Einsatzfall ab und liegt im Ermessen des zuständigen Fachmannes.
Die Größe der örtlichen Ausnehmung in der Stützfläche wird dabei durch
wenigstens eine der nachfolgend genannten Größen, vorzugsweise jedoch die
Kombination der einzelnen Größen bestimmt:
- - Höhe der zu übertragenden Kraft
- - Geometrie der Lageranschlußelemente, Lagergehäuse beziehungsweise Gelenkgabelhälfte und Zapfenkreuz
- - Verformung der Lageranschlußelemente unter Last, insbesondere der Gelenkgabelhälfte, des Zapfenkreuzes sowie der Wälzelemente beziehungsweise der die Laufflächen für die Wälzelemente tragenden Elemente
- - Lagerspiel
Die erfindungsgemäße Lösung des Vorsehens von örtlichen Ausnehmungen
in der Stützfläche der Lagerbohrung weicht dabei erheblich von der
normalerweise geforderten exakten Lagerbohrungs- bzw. Kreisgeometrie ab.
Das in die Stützfläche eingearbeitete Profil der Ausnehmung überdeckt dabei
circa 1/10 bis 5/10 der Stützfläche. Die konkrete Lage in Umfangsrichtung der
Lagerbohrung betrachtet, sowie die konkrete Ausgestaltung des Profils
hinsichtlich Form, Tiefe, Breite und Länge werden vom Belastungsfall
bestimmt, welcher durch die oben genannten Größen beschreibbar ist.
Die Fig. 3 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung anhand eines
Ausschnittes aus einer. Gelenkgabelhälfte 4.1, welche in Schnittdarstellung
wiedergegeben ist, das Zusammenwirken mit einem Werkzeug 23 zur
Bearbeitung der Lagerbohrung 9, insbesondere der Stützfläche 10 zur
Einarbeitung der erfindungsgemäß vorzusehenden Ausnehmungen 20. Die
Einarbeitung der Ausnehmungen 20 erfolgt dabei durch das Zusammenwirken
einer Werkzeugspindel 24 mit der Lagerbohrung 9. Die Werkzeugspindel 24
weist dabei einen Durchmesser d auf, welcher dem Durchmesser der
Lagerbohrung entspricht. Mit dieser Werkzeugspindel 24 kann bereits auch
die Lagerbohrung in die Gelenkgabelhälfte 4.1 eingearbeitet werden. Die
Einarbeitung der Lagerbohrung erfolgt dabei durch Führung der
Werkzeugspindel 24 mit seiner Achse A entsprechend der theoretisch bei
zylindrischer Ausführung der Lagerbohrung 9 zugehörigen Lager- bzw.
Mittenachse AL, welche der Zapfenachse 21 des in der Gelenkgabel
gelagerten Zapfens entspricht. Die Einarbeitung der Ausnehmung 20 in die
Stützfläche 10, welche durch die Lagerbohrung 9 gebildet wird, erfolgt dann
durch Neigung der Achse der Werkzeugspindel A gegenüber der
theoretischen Mittenachse der Lagerbohrung 9, welche in Einbaulage des
Zapfens der Zapfenachse 21 des in der Gelenkgabel gelagerten Zapfens
entspricht. Der Neigungswinkel E bestimmt dabei entsprechend seiner Größe
und Richtung bezogen auf eine Ebene E, die sich durch die Zapfenachse 21
des in der Gelenkgabelhälfte 4.1 theoretisch gelagerten Zapfens und die
Gelenkachse G, welche der Symmetrieachse beziehungsweise
Rotationsachse der Gelenkwelle entspricht, beschreiben läßt, die Lage und
Größe der in der Stützfläche 10 der Lagerbohrung 9 erzeugten Ausnehmung
20 und dementsprechend die Verbesserung der Kraftverteilung in der
Wälzlageranordnung unter Last gegenüber einer konventionell ausgeführten
Lageranordnung, insbesondere Lagerbohrung 9 mit zylindrischer Stützfläche.
Vorzugsweise erfolgt die Nachbearbeitung der Lagerbohrung 9 durch Fräsen.
Denkbar sind jedoch auch andere Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise
Schleifen, Erosion, Verdichten, insbesondere Schlagverdichten, Schaben
sowie Perforieren, wobei im letztgenannten Fall durch das Vorsehen einer
Perforation die Stützstruktur elastisch oder plastisch verformbar gestaltet
werden kann.
1
Kreuzgelenkanordnung
2
Zapfenlagerung
3
Zapfenkreuz
4
Gelenkgabel
4.1
Gelenkgabelhälfte
5
Zapfenanordnung
6
Zapfen
7
Fußteil
8
Lagerteil
9
Lagerbohrung
10
Stützfläche
11
Wälzlageranordnung
12
Radiallager
13
Außenring
14
Wälzelemente
15
Innenring
16
Erste innere Lauffläche
17
Zweite äußere Lauffläche
18
Außenfläche der Gelenkgabelhälfte
19
Flächenbereich
20
Ausnehmung
21
Profil
22
Innenfläche der Gelenkgabelhälfte
24
Werkzeugspindel
21
Zapfenachse des in der Gelenkgabelhälfte gelagerten Zapfens
G Gelenkachse
Fu
G Gelenkachse
Fu
Umfangskraft
A Achse der Werkzeugspindel
α Neigungswinkel der Zapfenbiegelinie
βB
A Achse der Werkzeugspindel
α Neigungswinkel der Zapfenbiegelinie
βB
Schrägstellung der Lagerung
γ Gesamtverdrehwinkel
E Winkel zwischen Mittenachse der Lagerbohrung und Symmetrieachse der Werkzeugspindel
fB
γ Gesamtverdrehwinkel
E Winkel zwischen Mittenachse der Lagerbohrung und Symmetrieachse der Werkzeugspindel
fB
Verschiebung der Lagerbohrung
fG
fG
Gesamtweg der Verschiebung
Claims (24)
1. Gelenkgabel (4) für den Einsatz in Gelenkwellen;
- 1. 1.1 mit wenigstens eirnem Fußteil zur Kopplung an ein antriebs- oder abtriebseitiges Maschinenelement;
- 2. 1.2 mit wenigstens einem Lagerteil (8), umfassend eine Lagerbohrung (9), welche eine Stützfläche zur Abstützung wenigstens eines Teilbereiches einer Wälzlageranordnung (11) zur Lagerung eines Zapfens (6) eines Zapfenkreuzes (3) in der Gelenkgabel (4) bildet; gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- 3. 1.3 die Stützfläche (10) weist wenigstens im Bereich der im montierten Zustand bei Drehmomentenübertragung höchst beanspruchten Wälzelemente (14) der Wälzlageranordnung (11) eine örtliche Ausnehmung auf.
2. Gelenkgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage
und/oder das Profil beziehungsweise die Form und/oder die Größe der
Ausnehmung in Abhängigkeit von wenigstens einer, den Belastungsfall
wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe bestimmt wird.
3. Gelenkgabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Größen zur Charakterisierung des Belastungsfalls wenigstens eine der
nachfolgend genannten Größen verwendet wird:
- 1. Größe der zu übertragenden Kraft und/oder Geometrie der Anschlußteile der Wälzlageranordnung und/oder
- 2. Verformung der Anschlußelemente der Wälzlageranordnung und/oder
- 3. Lagerspiel.
4. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (20) in Einbaulage betrachtet in
den in Umfangsrichtung weisenden Flächenbereichen (19) der
Stützfläche (10) angeordnet ist.
5. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (20) sich in Einbaulage parallel
zur Zapfenachse (Z1) des in der Lagerbohrung (9) gelagerten Zapfens
(6) in Richtung zur Gelenkachse (G) hin über die gesamte Erstreckung
der Lagerbohrung (9) erstreckt.
6. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Profil der Ausnehmung (20) in der Stützfläche
(10) über die Erstreckungsrichtung der Ausnehmung (20) in Richtung
parallel zur Zapfenachse (Z1) des in der Gelenkgabel (4) gelagerten
Zapfens (6) einer Zapfenanordnung (5) zur Gelenkachse (G) hin eine
Änderung erfährt.
7. Gelenkgabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Profiländerung der Ausnehmung (20) in Richtung parallel zur
Zapfenachse (Z1) des in der Gelenkgabel (4) gelagerten Zapfens (6)
des Zapfenkreuzes. (3) hinsichtlich seiner Breite in Umfangsrichtung der
Lagerbohrung (9) betrachtet und seiner Erstreckung in Richtung der
Erstreckung der Laigerbohrung (9) in Richtung der Gelenkachse (G)
eine Verringerung erfährt.
8. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (20) hinsichtlich einer Ebene
(E), welche sich durch die Zapfenachse des in der Gelenkgabel
gelagerten Zapfens (6) eines Zapfenkreuzes (3) und die Gelenkachse
(G) beschreiben läßt, symmetrisch angeordnet sind.
9. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stützfläche (10) und/oder die durch die
Ausnehmung (20) beschreibbare Fläche der Stützfläche (10)
oberflächenbehandelt sind.
10. Gelenkgabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stützfläche (10) und/oder die Ausnehmung (20) mit einer Perforation
versehen sind.
11. Gelenkgabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ausnehmung (20) durch Schlagverdichten behandelt ist.
12. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß diese wenigstens zwei Gelenkgabelhälften (4.1)
umfaßt, wobei jede Gelenkgabelhälfte (4.1) einen Fußteil und einen
Lagerteil aufweist.
13. Gelenkgabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lagerbohrung (9) als Blindbohrung ausgeführt
ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer Stützfläche (10) zur Realisierung einer
gleichmäßigen Lastverteilung von Wälzelementen einer
Wälzlageranordnung für die Lagerung von Zapfen (6) eines
Zapfenkreuzes (3) in einer Gelenkgabel (4) mit einer örtlichen
Ausnehmung (20), nach einem der Ansprüche A1 bis A13, dadurch
gekennzeichnet, daß gegenüber der Einarbeitung der Lagerbohrung (9)
in die Gelenkgabel (4) die verwendete Werkzeugspindel hinsichtlich
ihrer Führungsachse A geneigt gegenüber der theoretischen
Mittenachse AL einer zylindrischen Lagerbohrung geführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage
der Ausnehmungen (20) und deren Abmessungen jeweils durch die
Größe des Neigungswinkels zwischen der Führungsachse der
Werkzeugspindel (24) und der theoretischen Mittenachse AL der
Lagerbohrung (9) sowie die Neigungsrichtung bestimmt werden.
16. Lageranordnung zur Lagerung von Zapfenkreuzen in einer Gelenkgabel
(4) für den Einsatz in Gelenkwellen;
- 1. 16.1 mit einem in einer Lagerbohrung im Lagerteil der Gelenkgabel angeordneten Radiallager, umfassend eine Mehrzahl Wälzelemente, ein erstes, eine äußere Lauffläche bildendes Element und ein zweites, eine innere Lauffläche bildendes Element;
- 2. 16.2 die äußere Lauffläche bildet eine erste Stützfläche und die innere Lauffläche eine zweite Stützfläche für die Wälzelemente;
- 1. 16.2 die erste Stützfläche weist wenigstens im Bereich der im montierten Zustand bei Drehmomentenübertragung höchst beanspruchten Wälzelemente des Radiallagers eine örtliche Ausnehmung auf.
17. Lageranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lage und/oder das Profil beziehungsweise die Form und/oder die
Größe der Ausnehmung in Abhängigkeit von wenigstens einer, den
Belastungsfall wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe
bestimmt wird.
18. Lageranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als
Größen zur Charakterisierung des Belastungsfalls wenigstens eine der
nachfolgend genannten Größen verwendet wird:
- 1. Größe der zu übertragenden Kraft und/oder
- 2. Geometrie der Anschlußteile der Wälzlageranordnung und/oder
- 3. Verformung der Anschlußelemente der Wälzlageranordnung und/oder
- 4. Lagerspiel.
19. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmung in Einbaulage betrachtet in den
in Umfangsrichtung weisenden Flächenbereichen der Stützfläche
angeordnet ist.
20. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmung sich in Einbaulage parallel zur
Zapfenachse des in der Lagerbohrung gelagerten Zapfens in Richtung
zur Gelenkachse hin über die gesamte Erstreckung der Lauffläche
erstreckt.
21. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß das Profil der Ausnehmung in der Stützfläche
über die Erstreckungsrichtung der Ausnehmung in Richtung parallel zur
Zapfenachse des in der Gelenkgabel gelagerten Zapfens einer
Zapfenanordnung zur Gelenkachse hin eine Änderung erfährt.
22. Lageranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Profiländerung der Ausnehmung in Richtung parallel zur Zapfenachse
(21) des in der Gelenkgabel gelagerten Zapfens des Zapfenkreuzes
hinsichtlich seiner Breite in Umfangsrichtung der äußeren Lauffläche
betrachtet und seiner Erstreckung in Richtung der Erstreckung der
Lauffläche in Richtung der Gelenkachse eine Verringerung erfährt.
23. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen hinsichtlich einer Ebene (E),
welche sich durch die Zapfenachse des in der Gelenkgabel gelagerten
Zapfens eines Zapfenkreuzes und die Gelenkachse (G) beschreiben
läßt, symmetrisch angeordnet sind.
24. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stützfläche (10) und/oder die durch die
Ausnehmung (20) beschreibbare Fläche der Stützfläche (10)
oberflächenbehandelt sind.
Priority Applications (6)
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DE19953963A DE19953963A1 (de) | 1999-08-25 | 1999-11-09 | Gelenkgabel und Verfahren zur Herstellung einer Stützfläche zur Realisierung einer gleichmäßigen Lastverteilung und Lageranordnung |
AT00956480T ATE375462T1 (de) | 1999-08-25 | 2000-08-23 | Gelenkgabel, mit einer stützfläche zur realisierung einer gleichmässigen lastverteilung und lageranordnung |
US09/830,308 US6923726B1 (en) | 1999-08-25 | 2000-08-23 | Articulated yoke, method for the production of a supporting surface enabling an even distribution and bearing arrangement |
EP00956480A EP1121538B1 (de) | 1999-08-25 | 2000-08-23 | Gelenkgabel, mit einer stützfläche zur realisierung einer gleichmässigen lastverteilung und lageranordnung |
DE50014707T DE50014707D1 (de) | 1999-08-25 | 2000-08-23 | Gelenkgabel, mit einer stützfläche zur realisierung einer gleichmässigen lastverteilung und lageranordnung |
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Cited By (2)
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DE10303291B4 (de) * | 2003-01-28 | 2009-09-10 | Spicer Gelenkwellenbau Gmbh | Zapfenkreuzgarnitur |
DE102015109546B3 (de) * | 2015-06-15 | 2016-10-20 | Spicer Gelenkwellenbau Gmbh | Gelenkgabel für ein Kreuzgelenk und Kreuzgelenk |
-
1999
- 1999-08-25 DE DE29914893U patent/DE29914893U1/de not_active Expired - Lifetime
- 1999-11-09 DE DE19953963A patent/DE19953963A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10303291B4 (de) * | 2003-01-28 | 2009-09-10 | Spicer Gelenkwellenbau Gmbh | Zapfenkreuzgarnitur |
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EP3121471A1 (de) | 2015-06-15 | 2017-01-25 | Spicer Gelenkwellenbau GmbH | Gelenkgabel für ein kreuzgelenk und kreuzgelenk |
US9714682B2 (en) | 2015-06-15 | 2017-07-25 | Spicer Gelenkwellenbau Gmbh | Joint yoke for a universal joint and universal joint |
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DE29914893U1 (de) | 2001-01-04 |
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