DE2057851A1

DE2057851A1 - Allseitige Gelenkverbindung und Wellenanordnung

Info

Publication number: DE2057851A1
Application number: DE19702057851
Authority: DE
Inventors: Gantschnigg Gottfried Karl
Original assignee: ARINC Research Corp
Current assignee: ARINC Inc
Priority date: 1970-05-12
Filing date: 1970-11-24
Publication date: 1971-11-18
Also published as: FR2092276A5; US3620043A; DE2065219A1

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE

D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 9Π087

ARINC RESEARCH CORPORATION, Annapolis, Maryland / USA

Allseitige Gelenkverbindung und Wellenanordnung

Die Erfindung betrifft eine zweiteilige allseitige Gelenkverbindung.

Die zwei allgemeinen Gruppen allseitiger Gelenkverbindungen sind die Kardan- oder Gelenkkupplungen und die Gelenkverbindungen gleichbleibender Geschwindigkeit.

Eine Kardan- oder Gelenkkupplung weist eine treibende Welle oder Gabel, ein Kreuz: und eine angetrie-

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bene Welle oder Gabel auf, wie es z.B. in der Gelenkverbindung 85 in der USA-Patentschrift 2 7Io 352 zu sehen ist. Die treibende Welle ist durch zwei Gelenkzapfen mit der X-Aohse des Kreuzes und die angetriebene Welle durch zwei Gelenkzapfen mit der Y-Achse des Kreuzes verbunden. Wenn diese allseitige Gelenkverbindung unter einem bestimmten Winkel axialer Abweichung arbeitet, hat sie den Nachteil, dass sich keine gleichnässige Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Welle ergibt. Die treibende Welle dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit, die Geschwindigkeit der angetriebenen Welle schwankt während jeder Umdrehung der Welle. Das führt zu unerwünschten Schwingungen.

Ein weiterer Nachteil dieser Gelenkverbindung ist, dass jedes Paar der Gelenkzapfen die gesamte durch die Gelenkverbindung zu übertragende Belastung zu tragen hat. Ein anderer Nachteil ist, dass räumliche Begrenzungen und Unzugänglichkeit oft die Verwendung genauer Zapfen und Lagergrössen und Schmierung verhindern. Daher kommt es durch Überlastung und Schwingungen zu einer kurzen Lebensdauer der Anordnung und nicht zufriedenstellendem Arbeiten.

Eine allseitige Gelenkverbindung für gleichbleibende Geschwindigkeit überträgt gleiche Winkelgeschv/indißkeit ohne Rücksicht aui' die Winkelabweichung. fielst im Grunde eine Kugelgelenkverbindung, bei welcher die Ebene der Kugeln den Winkel zwischen den zwei Weilen halbiert.

In einem Anwendungsfall wird eine Kardangelenkverbindung als bewegliche Aufhängung für eine Nuuations-

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einrich fang verwendet. Bei dieser Verwendung überlasten die Arbeitsbedingungen, die Umweltbedingungen und Schwingungen oft die kleinen Gelenkzapfen und Lager und rufen eine starke Abnutzung derselben hervor, was vegen der Verunreinigung und der fehler der Gelenkzapfen und anderer Bauteile zu einer kurzen Lebensdauer der Einrichtung und nicht zufriedenstellender;·; Arbeiten führt.

Die Erfindung stellt auch eine Verbesserung des K/upplurigs types v;ie er in der USA-Patentschrift j? 54o beschrieben ist, dar, indem eine Büchse zwischen den einander in Eingriff stehenden Flächen der V.'elle und des Gehäuses vorgesehen ist, wodurch.die Abnutzung der tragenden Flächen verbessert wird. Ferner stellen die Kreissegmente der Erfindung eine Verbesserung gegenüber den sphärischen Zähnen nach der USA-Patentschrift 5 5·*° 275 vom Standpunkt des Zurückhaltens der Welle im Gehäuse ohne zusätzliche Bauteile, leichte Herstellung, lange Lebensdauer sowie Einfachheit dar.

An dieser Stelle ist zu bemerken, dass die Ausdrücke "kreisförmig geformt"- und "kreisförmig profiliert"'verwendet v/erden, um eine von zwei Radien unterschiedlicher Länge erzeugte Flä-che zu beschreiben, wobei die Radien im wesentlichen senkrecht zueinander stehen.

Die Erfindung befasst sich daher mit einer selbstsehmierenden allseitigen Gelenkverbindung für gleichbleibende Geschwindigkeit, welche einen begrenzten · Winkel axialer Abweichung erlaubt und dazu bestimmt ist, die unzureichende Kardangelenkverbindung in einer beweglichen Aufhängung oder einer Nutationseinrichtung vollständig zu ersetzen»

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Die Erfindung betrifft ferner eine selbstausrichtende, selbsthaltende und selbstschmierende Antriebswellenkupplung, welche eine starre Antriebswelle mit einer frei aufgehängten angetriebenen Welle verbindet. Die Antriebswelle viird axial in der antreibenden V.'elle gehalten und kann sich frei entlang ihrer Achse in der angetriebenen Welle belegen.

Ziel der Erfindung ist es, folgendes zu erreichen:

1.) Die Herstellung eines Gelenkes, welches bei

einer Umgebungstemperatur von -54 C bis +177°C während seiner Lebensdauer ohne Schmierung oder Wartung arbeiten kann.

2.) Die Verteilung der gesamten zu übertragenden Belastungen auf alle vier kreisförmig geformten Kerbzähne mit grossen überstehenden Tragflächen anstatt auf ein Paar kleiner Gelenkzapfen mit kleinen überstehenden Tragflächen.

5.) Das Schaffen einer grossen kreisförmigen Form für einen Kerbzahn für ein weiches Arbeiten und das Herabsetzen der Lagerbelastung auf ein Minimum; den Ausschluss wechselnder Kardangelenkverbindung und den Ersatz derselben durch einen neuen Typ einer nichtwechselnden allseitigen Gelenkverbindung für gleichbleibende Geschwindigkeit.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das erste Teil eine Welle ist und eine

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Mehrzahl nach aussen gerichteter, im wesentlichen kreisförmig profilierter Zähne aufweist, welche Lagerflachen bilden, dass das zweite Teil ein Gehäuse mit einer gleichen Zahl im wesentlichen bogenförmiger Aussparungen ist, welche Lagerflächen bilden, und dass die Teile so angeordnet sind, dass die Lagerflächen miteinander in Eingriff stehen, so dass eine relative Winkelbewegung der Elemente zueinander möglich ist.

Die allseitige Gelenkverbindung für gleichbleibende Geschwindigkeit nach dieser Erfindung besteht aus einer drehbaren Welle mit vier kreisförmig geformten und kreisförmig profilierten Kerbzähnen und einem Gelenkgehäuse mit vier kreisförmigen Laufbahnen, welche den kreisförmigen Kerbzähnen entsprechen. Eine dünne Auflage selbstschmierenden auf Kunststoff basierenden Lagermateriales, wie z.B. Teflon, welches entweder mit Bronze, Glasfasern oder gewebtem Nylon verstärkt ist, ist zwischen der Laufbahn im Gehäuse und dem Zahn der Welle angeordnet, um die Reibung zu vermindern und eine Selbstschmierung der Gelenklager zu schaffen. Die Gelenkwelle ist mit dem Gelenkgehäuse gegen radiale und axiale relative Bewegung verriegelt und nur für Drehbewegung zwischen beiden vorgesehen.

Die Erfindung überwindet die Schwäche der Kardangelenkverbindung durch Verwendung aller vier kreisförmig geformten Kerbzähne zur Übertragung der Belastung über das Gelenk und durch beträchtliche Vergrösserung der die Last übertragenden Flächen und somit durch eine Verminderung der Lagerbelastung. Das Teflon-Lagermaterial schafft eine lebenslange Selbstschmierung ohne Wartung.

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Die Erfindung schafft eine neue und verbesserte allseitige Gelenkverbindung, welche die zwei Paare von Gelenkpunkten und das herkömmliche Zwischenglied durch Vorsehen einer zweiteiligen allseitigen Gelenkverbindung ausschliesst, wobei die VJelle oder der Patrizenteil eine Mehrzahl im wesentlichen kreisförmig geformter und profilierter Segmente aufweist und das Gehäuse oder der Matrizenteil eine gleiche Mehrzahl von bogenförmigen Aussparungen in Übereinstimmung mit den kreisförmigen Segmenten aufweist.

Weiter schafft die Erfindung eine allseitige Gelenkverbindung, welche eine lange Lebensdauer durch Verwendung von zwischen den kreisförmigen und bogenförmigen Teilen gebildeten Lagerflächen und grossen Auflagebereichen herstellt, die sich nur äusserst langsam abnutzen.

Ferner wird durch die Erfindung eine zweiteilige Gelenkverbindung geschaffen, welche in Verbindung mit einem Hohlleiter eine Spiralabtastantenne mit einer langen Lebensdauer ergibt.

Ausserdem schafft die Erfindung eine allseitige Gelenkverbindung des obigen Typs, Vielehe leicht und wirtschaftlich hergestellt v/erden kann.

Darüberhinaus x\^rird durch die Erfindung eine selbstausrichtende, sich selbst haltende und selbstschmierende allseitige Antriebswellenkupplung zum Ausgleich von Abweichungen in der Ausrichtung zwischen der treibenden und getriebenen Welle geschaffen.

Die Einrichtungen zum Erreichen der obigen Ziele 109847/1088 - 6 -

und anderer Vorteile, welche jedem Pachmann klar sind, werden in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben und werden in der Zeichnung gezeigt, welche ein grundsätzliches AusfUhrungsbeispiel der Erfindung darstellt. · Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der erfindungsgemässen allseitigen Gelenkverbindung,

Pig. 2 einen vertikalen Schnitt durch die Gelenkverbindung an einem Punkt, bei welchem zwei der kreisförmigen Wellensegmentprofile angeordnet sind,

Fig. 5 einen vergrösserten Schnitt durch ein kreisförmiges Wellensegmentprofil eines abgeänderten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4 - 4 der Fig. 5, welcher die kreisförmige Form eines Segmentes darstellt, und

Fig. 5 die erfindungsgemässe Gelenkverbindung, wie sie als kerbverzahnte Welle zur Verbindung einer treibenden mit einer angetriebenen Welle verwendet wird.

Das in den Figuren 1-4 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Gelenkverbindung wird in Verbindung mit dem Nutationsteil einer Radarantenne verwendet« Es ist deshalb mit einem offenen axialen

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Teil dargestellt, welcher einen Teil des Hohlleiters einer Antenne bildet. Es ist natürlich keineswegs beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf diese spezielle Verwendung zu beschränken. Es wird aus der folgenden genauen Beschreibung klar, dass die Erfindung in vielen Anwendungsfällen verwendet werden kann, in Vielehen eine allseitige Gelenkverbindung erforderlich ist, welche einer hohen Abnutzung widersteht.

Die Erfindung weist im allgemeinen zwei Elemente auf, namentlich die Achse oder das Patrizenelement Io und ein Gehäuse oder Matrizenelement 11. Jedes Element kann mit zweckmässigen Flanschen oder nicht dargestellten Einrichtungen zur Befestigung an entsprechenden Wellen, Rohren, Gehäusen und dergleichen versehen sein. Jedes Element kann auch aus rostfreiem Stahl oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein.

Betrachtet man zuerst die Achse oder das Patrizenelement lo, so weist dieses eine Mehrzahl nach aussen gerichteter kreisförmig geformter und profilierter Zähne 12 bis 15 auf. Zur Vereinfachung sind nur vier dargestellt, jedoch kann jede zweckmässige Anzahl verwendet werden, wenn es notwendig ist. Die Anzahl dieser Zähne beträgt vorzugsweise mindestens vier und sie sind gleichmässig voneinander entfernt um die Achse verteilt. Der Mittelteil der Achse kann mit einer axialen öffnung 16 versehen sein, wie es dargestellt ist, eine öffnung jeder gewünschten Form aufweisen oder auch massiv sein, entsprechend der beabsichtigten Verwendung.

Das Gehäuse oder Matrizenelement 11 hat eine gleiche Zahl bogenförmiger Aussparungen 17 - 2o, von

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denen jede mit einer ähnlich geformten Abdeckung oder Büchse 21 bis 24 versehen ist. In dem in den Pig» I und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die bogenförmigen Aussparungen zylindrisch und die darin eingeformte Büchse ist auch zylindrisch an'ihren inneren und äusseren Flächen. Die Abmessungen der bogenförmigen Aussparungen sind so, dass ihr Radius ähnlich dem Radius ist, welcher die kreisförmige Form des Zahnes auf der Welle begrenzt. Das Verhältnis des Radius für die kreisförmigen Profile der Zähne auf der Welle zum Radius der Aussparungen ergibt das Spiel für den gewünschten Betrag an Abweichung. Diese Anordnung erlaubt, wie in Fig. 2 dargestellt ist, eine grosse Lagerfläche zwischen den kreisförmigen Teilen der Zähne auf der Welle und den zylindrischen Aussparungen des Gehäuses, so dass der Abnutzungsbereich stark vergrössert und gleichmässig verteilt wird. Sie erlaubt auch einen bestimmten Betrag an Abweichung oder Spiel, wie durch die Pfeile dargestellt ist.

Das für die Erfindung zweckmässige Lagermaterial kann aus einer Vielzahl von Materialien, wie z.B. Teflon, welches an seinem Platz durch ein Epoxi-Harz oder dergleichen befestigt wird, oder einem Material wie z.B. aus glasfaserverstärktem Teflon, welches in seiner Lage durch geeignete Einrichtungen wie z.B. nicht dargestellte Nieten gehalten werden könnte, ausgewählt v/erden. Natürlich kann jedes Lagermaterial, welches für lange Lebensdauerbedingungen geeignet ist und vorzugsweise keine Verwendung von Schmiermittel benötigt, für die Gelenkverbindung nach der Erfindung verwendet werden.

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Die Fig. 5 und K beziehen sich auf ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Büchse in dem Gehäuse anstelle einer zylindrisch geformten inneren Oberfläche eine Büchse 21a aufweist, welche ein kreisförmig geformtes inneres Profil hat, wobei aber der Radius der kreisförmigen Profilform der Gehäusebüchse einen grösseren Radius als der des kreisförmigen Teiles der Zähne auf der Welle aufweist.

Natürlich liegt es innerhalb des Gedankens der Erfindung, im wesentlichen jede relative Winkelanordnung der zwei Elemente durch entsprechende Auswahl der Radien der Welle und des Gehäuses zu schaffen. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist dieses Radien-Verhältnis so ausgewählt, dass ein SchwenKtfinkel von ungefähr 2 1/2° auftritt. Der Schwenkwinkel ist eine Punktion des Radius Rl des kreisförmigen Zahnes der Welle zum Radius R2 der bogenförmigen Aussparung des Gehäuseprofiles.

Die kerbverzahnte Welle der Fig. 5 entspricht den oben beschriebenen AusfUhrungsbeisplelen dadurch, dass die Welle 25 an ihrem linken Ende 26 ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und k geformt und an ihrem rechten Ende 27 ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 geformt ist. Das linke Ende der Welle 25 hat eine Mehrzahl Zähne 28, welche eine gleiche Zahl von Büchsen 29 einem Gehäuse 5o berühren, wobei das Gehäuse entweder eine treibende oder eine getriebene Welle sein kann. Das rechte Ende der Welle 25 hat eine Mehrzahl von Zähnen 31, welche eine gleiche Zahl von Büchsen 52 im Gehäuse 55 berühren. In diesem AusfUhrungsbeispiel sind die Büchsen 52 zylindrisch an ihren äusseren und inneren

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Flächen, so dass sie eine gewisse relative axiale Bewegung zwischen der Welle 25 und dem Gehäuse 35 erlauben. Die Büchsen 29 des linken Endes sind nur an ihren äusseren Flächen zylindrisch und haben eine innere Fläche, welche nach Art der Zähne 28 kreisförmig und profiliert ist und nur mit einem grösseren Radius. So wird durch das linke Ende der Welle eine relative axiale Fixierung herbeigeführt. Die beschriebene Erfindung kann in anderen speziellen Formen ohne Abweichung vom Gedanken oder den wesentlichen Merkmalen der Erfindung ausgeführt werden. Die vorliegenden Ausführüngsbeispiele sind deshalb als Veranschaulichung und nicht als Abgrenzung zu betrachten.

Kurz zusammengefasst vermeidet die erfindungsgemässe allseitige Gelenkverbindung und dgl. die Notwendigkeit der herkömmlichen dreiteiligen Anordnung mit Doppeldrehpunkten durch öohaiien einer Mehrzahl gleichmassig voneinander entfernter tragender Flächen an jedem Paar zusammenarbeitender Elemente. Eines der Elemente ist die Welle oder der Patrizenteil und ist mit einer Mehrzahl im wesentlichen kreisförmig geformter und profilierter Segmente versehen, welche mit der Welle aus einem Stück bestehen. Das andere Element ist das Gehäuse oder der Matrizenteil und hat eine gleiche Anzahl ausgesparter Flächen, welche eine bogenförmige Ausbildung aufweisen. Die Form dieser bogenförmigen Ausbildung kann entsprechend der beabsichtigten Verwendung verändert werden. Z.B. kann sie kreisförmig mit einem Radius gleich dem der kreisförmig profilierten Segmente sein, wenn nur kleine relative Bewegung erwünscht ist, oder mit einem grösseren Radius, wenn ein grosser Betrag an relativer Bewegung erwünscht ist. Sie kann auch zy-

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lindrisch sein, falls es erwünscht ist eine Bewegung zu erhalten, wie sie mit einer kerbverzahnten Welle erzielt wird. Die Fläche der bogenförmigen Ausführung ist auch mit einer Büchse zum Schutz gegen Abnutzung und zur Selbstschmierung, wie z.B. mit einem Tefloneinsatz, versehen.

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Claims

Patentansprüche

Ι.) Zweiteilige allseitige Gelenkverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil .eine Welle (la) ist und eine Mehrzahl nach aussen gerichteter im wesentlichen kreisförmig profilierter Zähne (12 - 15) aufweist, welche Lagerflächen bilden, dass das zweite Teil ein Gehäuse (ll) mit einer gleichen Zahl im wesentlichen bogenförmiger Aussparungen (17 2o) ist, welche Lagerfläehen bilden, und dass die Teile (Ιο, 11) so angeordnet sind, dass die Lagerfläehen miteinander in Eingriff stehen, so dass eine relative. Winkeibewegung der Elemente (lo, ll) zueinander möglieh ist.

2. Gelenkverbindung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die bogenförmige Aussparung (17 - 2o) zylindrisch ist.

5. Gelenkverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze lehne t- , dass eine Büchse (21 - 24) in jeder der bogenförmigen Aussparungen (17 - 2o) angeordnet 1st, deren Form im wesentlichen dieselbe wie die der bogenförmigen Aussparung (17 - 2o) ist.

4. . Gelenkverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmige Aussparung ( 17 - 2o) bzw.

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die innere Oberfläche der Büchse (21 - 24) kreisförmig profiliert ist und einen Radius hat, der grosser als der Radius des kreisförmigen Profiles der Zähne (12 - 15) auf der Welle (lo) ist.

5. Gelenkverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein kreisförmiger Durchgang in jedem der Elemente (lo, 11) angebracht ist, so dass die allseitige Gelenkverbindung zur Verwendung mit einem Hohlleiter geeignet ist.

6. Kerbverzahnte Wellenanordnung unter Verwendung der Gelenkverbindung nach Anspruch 1 mit einer treibenden Welle, einer angetriebenen Welle und einer kerbverzahnten Welle, v/elche in Wirkverbindung mit der treibenden und angetriebenen Welle steht, dadurch g e kennzeichne t, dass die kerbverzahnte Welle (25) an jedem ihrer Enden (26, 2?) eine Mehrzahl nach auesen gerichteter kreisförmig profilierter Zähne (28, 31) aufweist, welche tragende Flächen bilden, dass die treibende und die getriebene Welle ein Gehäuse (5o, 33) an den einander zugekehrten Enden aufweisen, dass jedes Gehäuse (j5o, 55) eine Mehrzahl bogenförmige Lagerflächen bildende Aussparungen aufweist, und dass die Wellen so angeordnet sind, dass die Zähne (28, J5l) der kerbverzahnten Welle (25) mit den Aussparungen in den Gehäusen (50, 53) in Eingriff stehen.

7. Wellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen in einem Gehäuse (53) zylindrisch sind, so dass eine relative axiale Versetzung der kerbverzahnten Welle (25} in Bezug auf dieses Gehäuse (33) und dessen dazugehörige Welle ermöglicht ist. '

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8. Wellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen in dem einen Gehäuse (3o) bogenförmig profiliert sind mit einem Radius, der grosser als der der entsprechenden Zähne (28) der kerbverzahnten Welle (25) ist, wodurch nur eine relative Winkelverschiebung zwischen der kerbverzahnten Welle (25) und diesem Gehäuse (Jo) und der dazugehörigen Welle möglich ist.

9. Wellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch g e · kennzeichnet, dass die Büchsen (29, J2) in jeder der bogenförmigen Aussparungen jedes Gehäuses (50, 33) aus einem langlebigen selbstschmierenden Material hergestellt sind.

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