DE3426954C2 - Übertragungsgelenk - Google Patents
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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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Abstract
Das Gelenk hat Rollen (106) und zu einer zur Achse des Zapfens (105) senkrechten Diametralebene (D) asymmetrische Laufbahnen (102, 103). Die sich gegenüberliegenden Oberflächen von Rolle und Laufbahnen auf der vom Gelenk aus außenliegenden Seite der Diametralebene sind größer ausgebildet, während die Nadeln (107) symmetrisch zu dieser Diametralebene angeordnet sind. Das so realisierte Gelenk kann mit hoher Drehzahl (beispielsweise 6000 U/min) umlaufen und zeigt dabei ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Übertragungsgelenk mit einem ersten Teil mit mindestens einem radialen
Zapfen, auf dem eine Rolle mit kugelförmiger Außenfläche und einer Durchgangsbohrung drehbar
nadelgelagert ist, und einem zweiten Teil mit mindestens zwei Laufbahnen für die Rolle, die im Schnitt senkrecht
zu ihrer Längsmittellinie jeweils kreisbogenförmig gekrümmt sind, mit einem Radius, der etwas größer
als der Rollenradius ist, wobei die Lagernadeln bei gestreckten Gelenk symmetrisch zu einer zur Achse des
Zapfens senkrechten, durch den Mittelpunkt der Kugelförmigen Außenfläche der Rolle gehenden Ebene liegen.
Derartige Übertragungsgelenke werden insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet und können hohen
Drehzahlen ausgesetzt werden.
Ein Gelenk der eingangs genannten Art ist aus der DE 31 26 766 A 1 bekannt. Derartige, mit nadelgelagerten
Rollen ausgestattete Tripoden-Gleichlaufgelenke werden hauptsächlich für Antriebswellen von Kraftfahrzeugen
verwendet und werden im allgemeinen nur bei Drehzahlen unterhalb von 2000 U/min, eingesetzt.
Aufgrund ihrer Gleichlaufeigenschaft wären sie an sich auch für den Betrieb bei höheren Drehzahlen, beispielsweise
in der Größenordnung von 6000 U/min, und größere Beugungswinkel besser geeignet als etwa Kardangelenke,
die bei praktisch nicht größerer, mechanischer Leistung keine Gleichlaufeigenschaften aufweisen, oder
als Kugelgleichlaufgelenke, die sich bei größeren Beugungswinkeln und hohen Drehzahlen stark erwärmen.
Dennoch können die bekannten Tripode-Gleichlaufgelenke in ihrer gegenwärtigen Bauweise nicht bei hohen
Drehzahlen eingesetzt werden, da durch die hohe auf die Rollen wirkende Zentrifugalkraft in den an den Rollenaußenrändern
liegenden Kontaktzonen zwischen den Rollen und Laufbahnen sehr große Druckkräfte erzeugt
werden. Daraus folgt daß in den Konf\ktzonen
keine Schmierung und ein hoher Abrieb erfolgt der zu
ίο einem schnellen Verschleiß der Rollen und ggfs. der
Laufbahnen in diesen Kontaktzonen führt
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Übertragungsgelenk nach Art des eingangs genannten Tripode-Gleichlaufgelenkes
zu schaffen, das bei hohen Drehzahlen auch unter großem Beugewinkel die hohen Druckkräfte in den
Kontaktzonen zwischen den Rollen und Laufbahnen herabsetzt und damit eine verbesserte Schmierung und
höhere Lebensdauer ermöglicht
Die Lösung hierfür besteht darin, das Übertragungsgelenk
derart auszubilden, daß die kugelförmige Außenfläche der Rolle sich bei gestrecktem Gelenk zum Inneren
des Gelenks hin höchstens bis zu den inneren Enden der Nadeln und zur Außenseite des Gelenks hin bis über
die äußeren Enden der Nadeln hinaus erstreckt und die zugehörigen Laufbahnen in jedem Betriebszustand den
äußeren Rand der Joigelförmigen Außenfläche der Rolle
übergreifen. Hierdurch wandert die Kontaktzone näher an die Zapfenmittelachse X-X, so daß als Ergebnis
die Hertzsche Pressung verringert wird.
Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erstreckt sich die kugelförmige Außenfläche der Rolle
mit ihrem radial äußeren Rand bis nahezu zur Durchgangsbohrung. Hiermit wird die Verschiebung der Kontaktzone
in günstigster Weise ausgenutzt Nach einer weiteren günstigen Ausgestaltung gehen der radial äußere
Rand der kugelförmigen Außenfläche und die Durchgangsbohrung in Form einer Ausrundung ineinander
über. Hiermit kann eine Versprödung in diesem Bereich vermieden werden.
Zum besseren Verständnis wird im folgenden als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Schnitts eines Teiles eines erfindungsgemäßen Gelenks;
F i g. 2 eine analoge Darstellung eines herkömmlichen Gelenks;
Fig.3 eine schematische Darstellung der Funktion eines erfindungsgemäßen Gelenks bei hoher Drehzahl;
und
Fig.4 eine schematische Darstellung der Funktion
eines herkömmlichen Gelenks bei hoher Drehzahl.
F i g. 1 zeigt einen Teil eines Tripode-Gelenks mit einer Glocke 101, die Laufbahnen 102, 103 enthält und
einem Tripod 104 mit drei radialen Zapfen 105, auf dem mittels Nadeln 107 Wellen 106 gelagert sind. Die bei
diesem Gelenk angewandten Mittel der Lagerung und Halterung der Nadeln sind herkömmlich und nicht im
Detail beschrieben.
Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht darin, daß die Rollen und ihre Laufbahnen eine zu der zur
Zapfenachse X-Xsenkrechten Diametralebene D asymmetrische
Form haben, was in der Figur an der zum Durchmesser D asymmetrischen Form erkennbar ist.
Der radial außen liegende Teil der Rolle ist vorzugsweise derart über das; Ende der Nadeln 107 hinaus verlängert,
daß die kugelförmige Außenfläche 108 der Rolle die Durchgangsbohrung 109 praktisch schneidet. Um
jedoch eine Versprödung in diesem Bereich zu vermei-
den, ist am Übergang beider Flächen 108,109 eine Ausrundung
110 vorgesehen.
Die beiden sich einander gegenüberliegenden, mit der Rolle zusammenarbeitenden Laufbahnen 102, 103 sind
nach außen so verlängert, daß eine korrekte Umschließung der Rolle gewährleiste! ist
Auf der innen liegenden Seite der Ebene D reicht die Rolle 106 dagegen nur bis an die inneren Enden der
Nadeln 107. Diese Nadeln sind anders als die Rolle und ihre Laufbahnen symmetrisch zur Ebene D angeordnet
Fig.2 zeigt ein herkömmliches Gelenk derselben Bauart. Die Einzelposirionen, die denen des Gelenks in
Fig. 1 entsprechen, sind in dieser Figur durch um 100
verminderte Bezugszahlen bezeichnet
Jede Rolle hat eine kugelförmige Außenfläche 8 und besitzt eine koaxial zur Achse X-X des Zapfens angeordnete
Durchgangsbohrung 9, in der sie gelagert ist Die zu einer Rolle gehörenden Laufbahnen bestehen
jeweils aus einem zylindrischen oder torischen Flächenteil, dessen Mittellinie durch den Punkt 0 geht Diese
Mitteiiinie verläuft entweder gradlinig oder kreisbogenförmig
und steht in jedem Fall senkrecht aui der Zeichnungsebene.
In diesem herkömmlichen Gelenk sind die Rolle, ihre Nadeln und ihre Laufbahnen symmetrisch zu einer
durch den Punkt 0, d. h. den Mittelpunkt der Rolle gehenden, zur Zapfenachse X-X senkrechten Diametralebene angeordnet.
In den Fig. 1 und 2 wurde das Gelenk bei Übertragung
eines großen Drehmoments und geringer Drehzahl dargestellt, wie dies z. B. beim Starten eines Fahrzeugs
bei kleinstem Übersetzungsverhältnis der FaIi ist Die an der Rolle angreifende Antriebskraft, wirkt dann
in Richtung des in den F i g. 1 und 2 eingezeichneten Pfeils F.
Steigt die Drehzahl bei kleinem Drehmoment, wie
z. B. beim loslassen des Gaspedals, ist die übertragene Kraft F' unter einem Winkel α zur Diametralebene D
geneigt da die auf die Rolle wirkende Zentrifugalkraft Fc verglichen mit der Antriebskraft Fn, relativ groß ist
(F i g. 3). Der Mittelpunkt der Kontaktellipse zwischen der Rolle und ihrer Laufbahn, der in F i g. 1 und F i g. 2 in
der Diametralebene in 11 bzw. 111 lag, hat sich in F i g. 3 nach 112 verschoben. Auch in dieser Anordnung arbeitet
die Rolle korrekt, und die Kontaktellipse kann bis an die Grenze der kugelförmigen Zone 102 reichen.
Bedenkt man, daß die aus der Antriebskraft und der Zentrifugalkraft resultierende Kraft F' aufgrund des
kleinen übertragenen Drehmoments geringer als unter den Bedingungen der F i g. 2 ist, kann man schließen,
daß die Hertzsche Pressung relativ klein ist, und daß daher eine gute Schmierung möglich ist, wenig Reibung
auftritt und eine lange Lebensdauer erreicht wird.
Tatsächlich wird das Schmiermittel bei Rotation mit hoher Drehzahl einer Zentrifugalbeschleunigung unterworfen,
und die Laufgeschwindigkeit der Rolle ist beträchtlich, so daß durch die dynamische Schmierung
zwischen der kugelförmigen Außenfläche der Rolle und der zylindrischen oder torischen Fläche der Laufbahn
entlang der Kontaktellipse ein sich günstig auswirkender Ölfilm aufrechterhalten wird.
Darüber hinaus ist die Kontaktkraft F' stets auf den Mittelpunkt der Rolle gerichtet, und sie gleicht die Zentrifugalkraft
Fc und die Antriebskraft Fm vollkommen
aus, wobei die letztere wie zuvor in der Symmetrieebene der Nadelreihe liegt
F i g. 4 zeigt die Funktionsweise einer in einem klassischen Tripode-Gelenk eingesetzten Rolle unter den
gleichen Bedingungen hoher Drehzahl und niedrigen Drehmoments. Es ist zu bemerken, daß die Rolle in
Anbetracht der geringen Ausdehnung der kugelförmigen Oberflächen von Rolle und Laufbahnen unter Einwirkung
der Zentrifugalkraft rasch mit den oberen Rändern der beiden Laufbahnen in Berührung kommt Daraus
folgt daß
1. die gleiche Kraft F' nicht mehr ausreicht, um die
Wirkung der auf die Rolle wirkenden Zentrifugalkraft auszugleichen;
die auf den oberen Rand 12a der Rolle wirkende, resultierende Kraft P gleich der geometrischen
Summe der auf den Rollenrand 126 an der gegenüberliegenden Laufbahn einwirkenden Kraft P'
und der Kraft F'ist wobei die beiden Kräfte P und /"zwangsläufig auf die durch den Punkt 0 gehende
Achse der Laufbahn gerichtet sind;
die Kontakte in 12a und 126 theoretisch punktförmig sind, was bedeutet, daß .;.;i die Ränder der Rollen sehr hohe Druckkräfte einwirken, die Schmierung gleich null und der Abrieb stark ist;
die Kontakte in 12a und 126 theoretisch punktförmig sind, was bedeutet, daß .;.;i die Ränder der Rollen sehr hohe Druckkräfte einwirken, die Schmierung gleich null und der Abrieb stark ist;
4. die Summe der auf die Rolle wirkenden Kräfte P und P' eindeutig größer als die bei gleichem Drehmoment
und gleicher Drehzahl auf die erfindungsgemäße Rolle einwirkende Kraft F'ist; und
5. der Kontakt in 126 zwischen der Rolle und der Laufbahn einen hohen Reibungswiderstand erzeugt
da zwischen Rollenrand und Laufbahn eine große Geschwindigkeit auftritt Daraus folgen ein
ziemlich hoher mechanischer Verlust und in dem Gleichlaufgelenk induzierte zyklische Axialschwingungen
Aus dem Vergleich dieser beiden Funktionsweisen wird der unbestrittene Vorteil deutlich, den die erfindungsgemäße
Verbesserung gegenüber einer herkömmlichen Anordnung bietet
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Übertragungsgelenk mit einem ersten Teil mit mindestens einem radialen Zapfen (105), auf dem
eine Rolle (106) mit kugelförmiger Außenfläche (108) und einer Durchgangsbohrung (109) drehbar
nadelgelagert ist, und einem zweiten Teil (101) mit
mindestens zwei Laufbahnen (102,103) für die Rolle,
die im Schnitt senkrecht zu ihrer Längsmittellinie jeweils kreisbogenförmig gekrümmt sind mit einem
Radius, der etwas größer als der Rollenradius ist, wobei die Lagernadeln (107) bei gestrecktem Gelenk
symmetrisch zu einer zur Achse (X-X) des Zapfens (105) senkrechten, durch den Mittelpunkt (O)
der kugelförmigen Außenfläche (108) der Rolle (106) gehenden Ebene (D) liegen, dadurch gekennzeichnet,
daß die kugelförmige Außenfläche (108) der Rolle (106) sich bei gestrecktem Gelenk
zum !Inneren des Gelenks hin höchstens bis zu den
inneren Enden der Nadeln (107) und zur Außenseite des Gelenks hin bis über die äußeren Enden der
Nadeln (107) hinaus erstreckt und die zugehörigen Laufbahnen (102,103) in jedem Betriebszustand den
äußeren Rand der kugelförmigen Außenfläche (108) der Rolle übergreifen.
2. Übertragungsgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die kugelförmige Außenfläche
(108) der Rolle (106) mit ihrem radial äußeren Rand bis nahezu zur Durchgangsbohrung (109) erstreckt.
3. Übeßxagungsgeienk nz-Jn Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das radial äußere Ende der kugelförmigen Auflenfi: .-he (108) und die
Durchgangsbohrung (109) in Form einer Ausrundungi(l 10) ineinander übergehen.
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