DE3111145A1 - Zapfenkreuz - Google Patents
ZapfenkreuzInfo
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
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- F16D3/26—Hooke's joints or other joints with an equivalent intermediate member to which each coupling part is pivotally or slidably connected
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- B21K1/763—Inner elements of coupling members
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Description
G 3780 I Voith Transmit GmbH
Kennwort: "Dauerfestes Zapfenkreuz" Heidenheim
Zapfenkreuz
Die Erfindung betrifft ein Zapfenkreuz für ein Kardan-Kreuzgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, bekannt z.B.
aus der DE-AS 28 25 556.
Das bekannte Zapfenkreuz besteht aus einem Kernstück und vier Zapfen, die in der Regel in einer Ebene und jeweils paarweise
auf sich kreuzenden Achsen liegen. Ein solches Zapfenkreuz wird üblicherweise aus Stahl geschmiedet und anschließend im wesentlichen
nur an den Zapfenenden bearbeitet zur Aufnahme der Wälz-
oder Gleitlager. Das bekannte Zapfenkreuz weist darüber hinaus eine zentrale Bohrung senkrecht zur Schnittebene der Zapfenachsen
auf.
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Die Krafteinleitung ajif 3&s' Zapfeiikreui erfolgt von einer der
beiden das Kreuzgelenk bildenden Gelenkgabeln, die das Drehmoment in Form einer Umfangskraft auf zwei Zapfen überträgt.
Die Weiterleitung des Drehmomentes erfolgt über die beiden anderen Zapfen auf die zweite Gelenkgabel. Dabei werden die Zapfen
selbst im wesentlichen auf Biegung in ihrem kreisrunden Querschnitt beansprucht. Dadurch, daß das Drehmoment nicht vom nabenähnlichen
Kernstück - wie bei einem Rad - eingeleitet wird, sondern von den Zapfen aufgenommen und weitergeleitet wird, 1st
die Beanspruchungsrichtung auf die Zapfen paarweise im Uhrzeigersinn
und paarweise gegen den Uhrzeigersinn. Jeder Zapfen hat also einen benachbarten·Zapfen, der bei Aufgabe eines Drehmomentes von
diesem weg verformt wird. Die größte örtliche Materialbeanspruchung tritt dabei im Ubergangsbereich des Zapfens zum Kernstück
des Zapfenkreuzes auf. Diese Beanspruchung ist noch größer, wenn das Kernstück eine zentrale axiale Bohrung aufweist.
Nachteilig an der bekannten Ausführung eines solchen Zapfenkreuzes
ist, daß die Beanspruchung an dieser Stelle so hoch sein kann, daß die Drehmoment-Ubertragungsfähigkeit des Zapfenkreuzes
kleiner ist als die der übrigen an der Drehmomentübertragung beteiligten Bauteile des Kreuzgelenkes. Das bekannte Zapfenkreuz
weist außerdem im Übergangsbereich vom Zapfen zum Kernstück einen Durchmessersprung auf, der durch die Bearbeitung des
Zapfenkreuz-Rohteiles zur Ausbildung einer Dichtring-Gegenfläche entsteht. Dadurch wird die Übertragungsfähigkeit durch
Kerbwirkung weiter gemindert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein insbesondere mit einer zentralen Bohrung versehenes Zapfenkreuz so zu gestalten,
daß bei vorgegebenen Hauptabmessungen die Materialbeanspruchung geringer wird als bisher.
Diese Aufgabe wird gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Der Erfinder hat erkannt, daß der Gestaltung des Überganges vom Kreisquerschnitt
des Zapfens zum massiven Kern des Zapfenkreuzes und weiter zum benachbarten Zapfen besondere Bedeutung zukommt.
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Insbesondere damn, wenn eine Bohrung vorhanden ist, erhöht
sich die Zugspannung in der Ubergangszone beträchtlich. Eine zentrale axiale Bohrung durch das Zapfenkreuz ist beispielsweise
erforderlich zur Durchführung eines Betätigungsorganes für eine Schwenkhemmung.
Gerade im Zwickel zwischen zwei.Zapfen aber verläuft die Teilungsebene
des Schmiedegesenkteiles.Die erforderliche Schräge
der Oberfläche läuft in einen schmalen Grat mit kleinem Querschnitt aus. Durch diesen Grat verlaufen die Spannungslinien,
die sich vom Zapfen her sehr stark auf den kleinen Querschnitt verdichten. Die Zone höchster Zugbeanspruchung liegt somit im
Bereich kleinsten Querschnitts. Dies fUhrt zu erhöhter Gefahr örtlicher Uberbeanspruchung mit plastischer Verformung und Rißbildung.
Gemäß der Erfindung wird das Zapfenkreuz an besagtem Übergang zwischen zwei Zapfen mit einer Hohlkehle versehen, die in axialer
Richtung verläuft. Diese Hohlkehle liegt näher am Zentrum
des Zapfenkreuzes und schneidet einen bestimmten Bereich des massiven Kernstückes aus. Ss wird also bewußt Material abgetragen.
Dadurch wird der Übergangsbereich zwischen zwei Zapfen
verbreitert.· Es entsteht unter Last eine gezielte Umlenkung der Spannungslinien in einen breiteren Bereich hinein. Der Vorteil
liegt darin, daß im wesentlichen nicht nur der dem benachbarten Zapfen zugewandte Randbereich des Zapfens zum Tragen kommt, sondern
auch tiefer im Zapfenquerschnitt liegende Zonen werden an der Zug- bzw. Biegebeanspruchung beteiligt. Bei größerem Abstand
vom Außendurchmesser des Zapfens steht mehr Querschnitt zur Verfügung, so daß eine Stützwirkung und im ganzen gesehen
erhöhte Biegefestigkeit entsteht. Die Spannungslinien werden in tieferliegende Zonen des Zapfens und des Kernstücks verdrängt.
Es ist vorteilhaft, die Hohlkehle so tief auszuführen, daß ihr Radius den größten bearbeiteten Durchmesser der beiden benachbarten
Zapfen tangiert, wodurch sich die Kerbwirkung in der durch die Zapfenkreuze gebildeten Ebene wesentlich vermindert.
Auf diese Weise ist es gelungen, die Drehmomentbelastbarkeit beträchtlich zu steigern und bei einem Zapfenkreuz mit zentraler
Bohrung den Festigkeitsverlust voll auszugleichen, so daß ein in dieser Weise ausgebildetes Zapfenkreuz dieselbe Drehmomentbelastbarkeit
bekommt wie ein Zapfenkreuz ohne Bohrung. 130062/0679 4
■' : - ■ '.-■■; 3111H5
Ein weiterführender Gedanke der Erfindung liegt darin, die Hohlkehle
zwischen zwei Zapfen nicht nur in Art einer einzigen zylindrischen Mantelfläche auszubilden, sondern als durchgehend gewölbte
torusförmige Außenfläche. Diese läßt sich auch ausbilden als eine aus mehreren Flächen zusammengesetzte Ausrundung. Pur die Herstellung
besonders vorteilhaft ist eine Bearbeitung der Hohlkehle, die symmetrisch zur Ebene, die von den Zapfenachsen gebildet wird, eine
torusartig gewölbte Außenfläche aufweist, an die sich unter einer bestimmten Neigung zur Längsachse des Zapfenkreuzes, ebenfalls symmetrisch
zu genannter Symmetrieebene, beidseitig zylindermanteiförmige
Flächen anschließen. Der Übergang vom unbearbeiteten Kern zum Zapfen wird dadurch noch fließender und die Krafteinleitung auch
unter einem bestimmten Beugewinkel dementsprechend stetig und kerbfrei.
Ein Ausführungsbeisptel der Erfindung ist auf beiliegender Zeichnung
dargestellt. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht auf ein Zapfenkreuz, gesehen in Richtung der Drehachse;
Fig. 2 einen-Teilschnitt nach Linie II-II
der Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht auf das Zapfenkreuz mit
weitergehender Bearbeitung, gesehen in Richtung der Drehachse;
Fig. 4 einen Teilschnitt nach Linie IV-IV der Fig. 3·
Die Figuren 3 und 4 weisen gleiche Bezugszeichen auf wie die
Figuren 1 und 2, soweit die betreffenden Einzelteile übereinstimmen.
Die Fig. 1 stellt das Zapfenkreuz 1 dar mit dem Kernstück 2 und den vier Zapfen 3, 4, 5» 6 sowie einer zentralen Bohrung 7·
Die Erfindung ist auch anwendbar auf ein Zapfenkreuz ohne Bohrung. Erkenntlich ist die besonders tief eingeschnittene Hohlkehle
8 zwischen den Zapfen. Die Pfeile 9 zeigen eine mögliche
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Belastungsrichtung in den Zapfen, woraus ersichtlich wird, daß beispielsweise in den Hohlkehlen 8 zwischen den Zapfen 4 und 5
sowie zwischen den Zapfen Z> und 6 besonders hohe Dauerwechselspannungen
auftreten. Bei Belastung in Richtung der Pfeile 9a treten die höchsten Beanspruchungen zwischen den Zapfen j5 und 4
sowie den Zapfen 5 und 6 auf.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Kernstück 1 im Bereich
der Hohlkehle 8. Mit 10 ist die Kontur angedeutet, die der Übergangsbereich zwischen zwei Zapfen ohne die erfindungsgemäße Maßnahme
aufweist. Innerhalb dieses von der Kontur 10 eingeschlossenen Querschnittes liegt die am höchsten beanspruchte Zone.
Durch die beispielsweise zylindermantelförmige Hohlkehle mit
Radius R werden Zonen größeren Querschnitts im Kernstück 2 an der Zugspannungsbeanspruchung beteiligt.
Die Fig. 3 zeigt eine Ansicht auf das Zapfenkreuz 20 gemäß den Ansprüchen
4 - 6 in der Ausführung mit erweiterter Bearbeitung im·
Bereich der Hohlkehlen 18, gesehen in Richtung der Drehachse. Abweichend von Fig. 1 ist dargestellt, daß die Ausrundung der Hohlkehlen
18 mit Radius R1 sich in den auf der Stirnseite des Zapfenkreuzes
sichtbaren Bereich des Zwickels zwischen zwei benachbarten Zapfen erstreckt.
Die Fig. 4 zeigt die Bearbeitung der Hohlkehle 18, deren Mittelteil
im Bereich 12 eine Torusfläche mit dem Zentrum 14 ist, welches gleichzeitig auch das Zentrum des ganzen Zapfenkreuzes 20
sein kann. Daran schließen sich tangierend nach beiden Seiten Zylindermantelflächen in den Bereichen 11 und IJ an, die symmetrisch
zur Ebene der Zapfenmitten verlaufen. Die Zylindermantelflächen entstehen jeweils durch vorzugsweise spanabhebende Bearbeitung
mittels eines Werkzeuges, z.B. einem Fräser, dessen Schneidkanten den Radius R' aufweisen. Das Zapfenkreuz wird
derart an das Werkzeug - oder umgekehrt - herangeführt, daß zunächst durch Materialabtragung die zylindrische Mantelfläche
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z.B. im Bereich 11 entsteht. Alsdann wird das Werkzeug oder das
Zapfenkreuz bei gleichzeitiger Weiterbearbeitung um das Zentrum 14 geschwenkt, so daß bei Drehung um den Winkel 2a die Torusfläche
im Bereich 12 gebildet wird. Bei geradliniger Weiterführung des Werkzeuges in den Bereich 13 ergibt sich dann die
symmetrisch angeordnete zweite Zylindermantelfläche.
Durch zügige ununterbrochene Bearbeitung ergeben sich stetige, d.h. absatz- und knickfreie Übergänge zwischen den Oberflächen
der Bereiche 11 und 12 sowie 12 und I3, wodurch die angestrebte
stetige Verteilung der Zugbeanspruchung auf einen breiten Querschnitt erzielt wird.
Die geschilderte Bearbeitung eines Zapfenkreuzes und die Ausbildung
der erfindungsgemäßen Hohlkehle ist in vergleichbarer Weise auch für Zapfenkreuze mit beispielsweise drei Zapfen
für sogenannte Tripode-Gelenke oder andere sogenannte Gleichlauf-Gelenke anwendbar.
Heidenheim, den IO.O3.8I
DK/Srö
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Leerseite
Claims (8)
1.J Zapfenkreuz für ein Kardanwellen-Kreuzgelenk, das durch Gesenkschmieden
hergestellt ist, bestehend aus einem Kernstück undyvier Zapfen, deren Achsen im wesentlichen in einer Ebene
liegen, dadurch gekennzeichnet, daß am Kernstück - in Richtung der Drehachse gesehen - die Außenkontur am Übergang
zwischen zwei benachbarten Zapfen durch spanabhebende Bearbeitung nach Art einer Hohlkehle gerundet ausgebildet ist.
2. Zapfenkreuz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkehle Teil einer zylindrischen Mantelfläche ist.
3· Zapfenkreuz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zapfenkreuz eine entlang der Drehachse verlaufende Bohrung aufweist.
4. Zapfenkreuz nach Anspruch 1 oder 3> dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlkehle zwischen zwei benachbarten Zapfen in der Art einer gewölbten torusförmigen Außenfläche gerundet ist.
5· Zapfenkreuz nach Anspruch 1 oder 3» dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlkehle - gesehen in einem unter 4-5 Grad zwischen
zwei benachbarten Zapfen verlaufenden Längsschnitt - zusammengesetzt ist aus einem mittleren Abschnitt, der ein Stück
einer Torusflache ist, und aus zwei beidseitig sich stetig
daran anschließenden Abschnitten, welche Teile einer Zylindermantelfläche sind.
X) mehreren, vorzugsweise
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6. Zapfenkreuz nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hohlkehle 8 bzw. 18 die jeweils benachbarten Zapfen an deren größtem mechanisch bearbeiteten
Durchmesser tangiert.
7. Zapfenkreuz nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß
die Achse der Zylindermantelflächen, die Teile der Hohlkehle sind, um etwa 15 Grad gegenüber der Zapfenkreuz-Längsachse
geneigt sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Zapfenkreuzes nach Anspruch 5*
dadurch gekennzeichnet, daß die aus mehreren Abschnitten bestehende
Hohlkehle zwischen zwei benachbarten Zapfen durch spanabhebendes Bearbeiten mittels eines Werkzeuges, dessen
Schneidkante den Radius R1 aufweist, erzeugt wird, wobei die
folgenden Bearbeitungsschritte durchgeführt werden:
a) geradliniges Bewegen eines Werkzeuges entlang einer um den Winkel a gegenüber der Zapfenkreuz-Längsachse geneigten
Achse,
b) Schwenken des Werkzeuges relativ zum Zapfenkreuz während des Bearbeitungsvorganges um den Schwenkwinkel 2a um eine
zur Zapfenkreuz-Längsachse parallelen Drehachse,
c) geradliniges Bewegen des Werkzeuges entlang einer gegenüber der Zapfenkreuz-Längsachse um den Winkel a geneigten
Achse.
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Heidenheim, den IO.O3.81
DK/Srö
DK/Srö
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