DE3590284T

DE3590284T - Kraftübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE3590284T
Application number: DE19853590284
Authority: DE
Inventors: Walter J. Bay Village Ohio Maciag; Ralph E. Westlake Ohio Storey
Original assignee: Cleveland Motive Products, Westlake, Ohio
Priority date: 1984-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1986-08-28
Also published as: EP0188532A4; EP0188532B1; CA1254049A; EP0188532A1; GB2177478B; WO1986000380A1; GB2177478A; DE3590284C2; GB8604626D0; JPS61502554A

Description

Kraftübertragungseinrichtung

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungseinrichtung, die Zapfen- und Lagersätze zum Verbinden der Antriebswelle einer Krafterzeugungseinheit mit einer Abtriebswelle einer Arbeitseinheit zur Durchführung einer mechanischen Funktion verbindet.

Die mechanische Kraftübertragung erfordert normalerweise eine Übertragungsvorrichtung, welche die Krafterzeugungseinheit (Quelle) an die Arbeitseinheit koppelt, um eine mechanische Funktion auszuführen. Die übertragungsvorrichtung koppelt gleichzeitig die beiden Einheiten und überträgt zwischen Ihnen Kraft. Sehr häufig werden bei der Kraftübertragung Wellen verwendet, die von der übertragungsvorrichtung zur drehenden und/oder hin- und hergehenden Energieübertragung gelenkig verbunden sind. Diese Anordnung bezeichnet man häufig als "Antriebswelle", ι während die übertragungsvorrichtung für gewöhnlich als j "Universalgelenk" bezeichnet wird, wenn vier (4) Zapfen \ verwendet werden oder als "Dreifuß", wenn drei (3) Zapfen j verwendet werden. Die Bezeichnung "Universalgelenk" ist j die am häufigsten gebrauchte Bezeichnung, wenn es unge- | achtet der Anzahl von Zapfen um irgendeine Kraftübertra- ί gungsvorrichtung geht. j

Eine Antriebswelle verwendet normalerweise zwei Universalgelenke, während eine "Antriebsstrecke" mehr als zwei Universalgelenke und Wellen aufweisen kann.

Die Funktionen des Universalgelenks bestehen darin, (a) ein hohes Anlauf- oder Abbrems-Drehmoment einschließlich einer Drehrichtungsumkehr zu übertragen, (b) eine I kontinuierliche Kraftübertragung bei entweder konstanter

oder variierender Antriebswellen-Drehzahl pro Minute aufrecht zu erhalten, und (c) eine maximale Kraftübertragung zwischen der Kraftquelle und der Arbeitseinheit oder Arbeitseinheiten bei sämtlichen Schwankungen und Vibrationen zwischen Antriebsstreckenwinkel und -länge aufrecht zu erhalten.

Ein derzeit verwendetes Universalgelenk ist das manchmal als Hooke-Universalgelenk bezeichnete Gelenk. Bei dem Hooke-Gelenk besitzen die antreibende und die angetriebene Welle jeweils ein Joch, wobei die jeweiligen Joche von einem aus Zapfen-Lager-Sätzen bestehenden Kreuz verbunden sind. Mehrere Übertragungsflächen von im wesentlichen zylindrischer Gestalt sind an den jeweiligen Zapfen des Kreuzes geschliffen. Jede Zapfen-Übertragungsfläche ist dazu ausgebildet, eine Lagerschale aufzunehmen, die in ihrem Inneren mehrere Nadeln enthält. Kreuze mit vier (4) Übertragungsflächen (Zapfen) sind bei Kraftfahrzeugen mit Hinterradantrieb und bei industriellen Antriebswellen weit verbreitet. In ähnlicher Weise sind Dreifüße mit drei (3) Übertragungsflächen (oder Zapfen) bei Kraftfahrzeugen mit Frontantrieb weit verbreitet.

Die in Lagerschalen bekannter Universalgelenke verwendeten Nadeln haben die Aufgabe, Reibung zwischen dem Zapfen und der Lagerschale durch Abrollen herabzusetzen, um dadurch die relativ leichte Bewegung zwischen diesen Teilen zu ermöglichen. Die Nadeln dienen außerdem dazu, die Übertragung von Drehmomenten zwischen der Lagerschale und dem Zapfen zu übernehmen und aufrecht zu erhalten.

Die Verwendung von Nadeln in Lagerschalen ist insoweit zufriedenstellend, als die Übertragung von Drehmomenten über das Universalgelenk betroffen ist. Allerdings besitzen Nadeln zwei (2) grundlegende Nachteile.

Erstens: Nadeln stellen einen zusätzlichen Kostensfaktor bei der Herstellung der Universalgelenke dar, sowohl durch die Kosten der Nadeln selbst als auch durch die Kosten des Zusammenbaus des Zapfen- und Lagersatzes, weil die Nadeln beim Zusammenbau gehandhabt werden müssen. Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß ohne ausreichende Schmierung die Nadeln schließlich verschleißen und sich bis zu einem Punkt verschlechtern, an dem der Zapfen-Lagersatz des Universalgelenks ausgetauscht werden muß.

Das Hauptziel dieser Erfindung besteht darin, die Notwendigkeit von Nadeln, Kugeln oder anderen Rollelementen zwischen einem Zapfen und einer Lagerschale in einem Universalgelenk zu beseitigen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Notwendigkeit auszuschalten, normalerweise zur Gewährleistung niedriger Reibung in dem Gelenk benötigte Schmiermittel, z.B. Schmierstoffe und öle, in ein Universalgelenk einzugeben.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Kurz gesagt, schafft die Erfindung ein verbessertes Universalgelenk, welches verbesserte Zapfenlagersätze enthält.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die übertragungsvorrichtung, bei der es sich entweder um eine mit vier, mit drei oder mit zwei Zapfen handeln kann, mit mehreren Übertragungsflächen ausgestattet, die im wesentlichen zylindrische Form haben und die an den jeweiligen Enden der Zapfen geschliffen sind. Es sind mehrere Lagerschalen vorgesehen, eine für jeweils jede Zapfenlagerfläche. Die Lagerschalen sind definiert durch eine etwa zylindrische Seitenwand. Die Schalen sind normalerweise

in einer Kreuzanordnung mit geschlossenem Ende und in einer Dreifußanordnung mit einem offenen Ende versehen. An der Innenwand der Lagerschale sind einstückige Lagerflächen definiert. In der bevorzugten Ausführungsform haben diese Lagerflächen etwa halbkreisförmigen Querschnitt und erstrecken sich über die volle Tiefe der Schale. Wenn die Schale über das Ende des Zapfens gestülpt ist, berühren die Lagerflächen die Übertragungsfläche des Zapfens.

Die Lagerschale wird in der bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung von Pulver-Metallurgie-Verfahren hergestellt, wodurch es möglich ist, einstückig mit der Schale ausgebildete innere Lagerflächen zu definieren und herzustellen.

Die Lagerschale kann auch mit Hilfe herkömmlicher Oberflächenbearbeitungsmethoden hergestellt werden.

Gleichgültig, ob mit Hilfe von Pulver-Metallurgie- oder mit Oberflächenbearbeitungsmethoden hergestellt, ist die Notwendigkeit der Verwendung von Nadeln, Kugeln oder anderer Rollelemente ausgeschaltet.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Im folgenden wird eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gegeben, in denen:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Antriebsstrecke mit eingefügten Universalgelenken ist,

Figur 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Universalgelenks mit vier Zapfen-Lagerschalen-Sätzen ist,

Figur 3 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein herkömmliches Kreuz ist,

Figur 4 eine auseinandergezogene, teilweise geschnittene Seitenansicht einer herkömmlichen Lagerschale mit einer zugehörigen Übertragungsfläche eines bekannten Zapfens ist,

Figur 5 eine auseinandergezogene Seitenansicht eines drei Zapfen aufweisenden, bekannten Dreifußes, wie er vornehmlich in Kraftfahrzeugen mit Frontantrieb eingesetzt wird, ist,

Figur 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten Lagerschale ist,

Figur 7 eine stirnseitige Ansicht der Lagerschale nach Figur 6 ist, die im Schnitt die Übertragungsfläche eines zugehörigen Zapfens zeigt,

Figur 8 eine schematische Ansicht einer modifizierten Ausführungsforxn eines Zapfens zur Verwendung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Universalgelenk ist,

Figur 9 eine stirnseitige Ansicht einer modifizierten Form einer Lagerschale, die in dem erfindungsgemäßen Universalgelenk verwendet wird, ist,

Figur 10 eine stirnseitige Ansicht einer modifizierten Lagerschale nach der Erfindung ist,

Figur 11 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer offenen Schale gemäß der Erfindung ist,

Figur 12 eine stirnseitige Ansicht einer modifizierten offenen Schale gemäß der Erfindung ist, wobei im Schnitt die Zapfen-Übertragungsfläche mit dem dazugehörigen Gehäuse dargestellt ist, und

Figuren 13a, 13b, 13c Variationen von Lagerflächen zeigen.

Zunächst soll Figur 1 betrachtet werden, in der eine eine Antriebsquelle mit einer Arbeitseinheit verbindende Antriebsstrecke dargestellt ist. Die Antriebsquelle in Figur 1 trägt das Bezugszeichen 10 und kann die Form eines Elektromotors, oder, alternativ, eines Motors mit innerer Verbrennung haben. Die angetriebene oder Arbeitseinheit ist in Figur 1 mit 12 bezeichnet. Eine Antriebsstrecke verbindet die Antriebsquelle 10 mit der Arbeitseinheit 12, und sie wird definiert durch mehrere Antriebswellen 14, 16, 18. In Figur 1 gezeigte Universalgelenke 20, 22, 24 und 26 schaffen eine Verbindung der jeweiligen Antriebswellen 14, 16 und 18 untereinander sowie mit der Antriebsquelle 10 und der Arbeitseinheit 12. Zur Abstützung der Antriebsstrecke werden vorteilhaft mittige Wellenlager 28 und 30 verwendet.

Die in Figur 1 gezeigte Anordnung beschreibt und veranschaulicht allgemein eine Antriebsstrecke zur Übertragung von Kraft von einem Elektromotor oder dergleichen zu einer Arbeitseinheit oder Last. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, haben die Universalgelenke eine Kupplungsfunktion bei der Kraftübertragung von einem Element zum anderen.

In Figur 2 ist ein herkömmliches Universalgelenk dargestellt. Die jeweiligen Antriebswellen 35 und 37 besitzen Joche 32, 34, die mittels eines Kreuzes 36, welches Lagerschalen 54 aufweist, miteinander verbunden sind. Zur Beschreibung des Kreuzes 36 wird nun auf Figur 3 Bezug genommen.

Das Kreuz 36 nach Figur 3 ist ein mit vier Zapfen versehenes Lastübertragungselement, definiert durch Zapfen 39, 41, 43 und 4 5 sowie durch etwa zylindrische Übertragungsflächen 38, 40, 42, 44, die an den jeweiligen Zapfen geschliffen oder in anderer Weise gebildet sind. Im Inneren des Kreuzes sind gebohrte Kreuzdurchgänge 46 und 48 vorgesehen, welche Schmiermitteldurchgänge zum Zuführen von Schmiermittel von einem Paßstück 50, bei dem es sich um einen Schmiernippel

oder dergleichen handeln kann, definieren. Schmiermittel wird von dem Paßstück 50 über die Durchgänge 46 und 48 nach außen zu den Ubertragungsflachen 38, 40, 4 2 und 4 geführt, wie aus Figur 3 ersichtlich ist.

Die Schmiermittel-Durchgänge sowie das Paßstück sind vorgesehen, um innerhalb der Lagerschale befindlichen Wälznadeln Schmiermittel zuführen zu können, wie unten erläutert wird.

Es wird nun Bezug genommen auf Figur 4, in der eine bekannte Wälznadel-Lagerschale vor deren Anordnung an einem Zapfen gezeigt ist.

Die Lagerschale nach Figur 4 ist mit 54 bezeichnet, und sie besitzt eine etwa zylindrische Seitenwand 56, eine etwa zylindrische Innenwand 57 und ein geschlossenes Ende 58.

Mehrere Wälznadeln 60 befinden sich innerhalb der Lagerschale 54, verteilt am Umfang ihrer Innenwand 57.

Es ist eine Dichtung 62 in Form eines von der Lagerschale abstehenden Kragens vorgesehen. Die Dichtung hat die Aufgabe, das Schmiermittel in der Schale zu halten.

Wenn die Lagerschale 54 nach Figur 4 auf dem Zapfen installiert wird, gelangen die Wälznadeln 60 in Berührung mit der Übertragungsfläche 38 des Zapfens 39. Die Dichtung 6 2 berührt die Fläche 64 des Zapfens und bewirkt eine Abdichtung der inneren Ringkammer, in der sich die Wälznadeln befinden. Es ist daher unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 ersichtlich, daß Schmiermittel von dem Paßstück 50 durch die Durchgänge 46 und 48 hindurch in die Lagerschale 54 gelangt und dadurch eine Schmierung der Wälznadeln 60 bewirkt.

Die vollständige Anordnung aus Kreuz- und Lagerschale gemäß Figuren 3 und 4 ist in Figur 2 gezeigt. Die Lagerschale 54 ist innerhalb eines zugehörigen Jochs 32, 34 aufgenommen und schafft so eine Verbindung zwischen dem Joch und dem Zapfen.

Die Übertragung eines Drehmoments über das Universalgelenk nach Figur 2 erfolgt an den Ubertragungsflachen des Kreuzes, der Lagerschale und des Jochs. Diese Übertragungsflächen sind an dem Kreuz mit den Bezugszeichen 38, 40, und 44, in der Lagerschale mit den Bezugszeichen 57 und und in dem Joch mit dem Bezugszeichen 61 bezeichnet.

Nochmals bezugnehmend auf herkömmliche Universalgelenke ist in Figur 5 ein Universalgelenk gezeigt, wie es in Kraftfahrzeugen mit Frontantrieb verwendet wird. Der Dreifuß nach Figur 5 enthält drei Zapfen 69, 71 und 73, welche Übertragungsflächen 70, 72 und 74 definieren. Lagerschalen 76, 78 und 80 sind den jeweiligen Übertragungsflächen der Zapfen zugeordnet. Die Lagerschalen nach Figur 5 werden auch manchmal als offene Schalen bezeichnet, und zwar deshalb, weil die Schale an beiden Enden offen ist und keine Querwand enthält, wie beispielsweise die in Figur 4 gezeigte Querwand 58. Mehrere Nadeln 82 sind in Berührung mit den Übertragungsflächen 70, 72 und 74 des Dreifußes nach Figur 5 bringbar. Die Nadeln werden von den jeweiligen Lagerschalen 76, 78, 80 gehalten. Die Lagerschalen ihrerseits sind in dem Gehäuse 84 aufgenommen.

Die übertragung eines Drehmoments über den Dreifuß gemäß Figur 5 erfolgt an den Übertragungsflächen des Dreifußes, der Lagerschale und des Gehäuses. Speziell sind diese Übertragungsflächen bei dem Dreifuß mit den Bezugszeichen 70, 72 und 74, bei den offenen Schalen 76, 78 und 80 mit den Bezugszeichen 77 und 79 und bei dem Gehäuse mit den Bezugszeichen 80 und 83 bezeichnet.

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Die Ubertragungsvorrichtungen nach Figur 2 (Universalgelenk) und Figur 5 (Dreifuß) erfordern beide den Einsatz von Wälznadeln zur Reibungsverringerung, um dadurch eine relativ geringe Bewegung zwischen der Lagerschale und den Zapfen-Ubertragungsflachen zu erreichen, Außerdem übertragen die Nadeln zwischen der Lagerschale und den Zapfen-Übertragungsflächen Drehmomente und halten diese aufrecht.

Während im Betrieb eine einzige Umdrehung der Welle 35 nach Figur 2 eine einzige Umdrehung der Welle 37 mit sich bringt, vollzieht auch das Kreuz 36 des Universalgelenks eine vollständige Umdrehung. Allerdings gibt es eine kleine Relativbewegung zwischen den Zapfen-Übertragungsflächen und den Nadeln, wenn sich das Kreuz dreht. D.h., während die Wellen 35 und 37 zusammen mit dem sie verbindenden Universalgelenk eine Einheit drehen, gibt es innerhalb der Lagerschale eine kleine Relativbewegung zwischen den Wälznadeln und den Übertragungsflächen des Zapfens. Entgegen den Erwartungen machen die Wälznadeln von sich aus normalerweise keine vollständigen Umdrehungen innerhalb der Lagerschale, wenn sich das Universalgelenk dreht. Es ist dieses Phänomen der begrenzten Bewegung zwischen der Lagerschale und dem Zapfen, welches die Verwendung der nadellosen Lagerschale gemäß der Erfindung gestattet. Die begrenzte Relativbewegung zwischen der Lagerschale und dem Zapfen ermöglicht weiterhin die Anwendung von Pulvermetallurgiemethoden bei der Herstellung eines oder beider dieser Elemente, sowie die Verwendung von mit öl imprägnierten Metallen zur Schmierung des Universalgelenks.

Das Ausmaß der Relativbewegung zwischen der Lagerschale und dem Zapfen wurde als gering beschrieben. Eine andere Möglichkeit, die Relativbewegung zwischen diesen Elementen zu beschreiben, besteht darin, zu sagen, daß es eine begrenzte Winkel- und/oder Längs-Versetzung zwischen' diesen Teilen gibt. Im Extremfall handelt es sich bei der Bewegung zwischen der Lagerschale und dem Zapfen um eine

aperiodische Schwingbewegung in Längs- und/oder radialer Richtung.

Die von den Anmeldern gewonnene Erkenntnis der begrenzten Relativbewegung zwischen Lagerschale und Zapfen während des Betriebs führte zu der Untersuchung verschiedenartig geformter Ubertragungsflachen des Zapfens, der Lagerschale und der Kombination von Zapfen/Lagerschale, mit dem Ziel, die Verwendung von Nadeln bei Universalgelenken überflüssig zu machen. Speziell ergab sich der Einsatz von Pulvermetallurgiemethoden zur Herstellung von Zapfen und Lagerschalen mit daran ausgebildeten, einstückigen Lagerflächen.

Gemäß Figur 6 wird die verbesserte Lagerschale 86, bei der es sich um ein Element nach vorliegender Erfindung handelt, definiert durch eine im wesentlichen zylindrische Seitenwand 88 mit einer zylindrischen Außenfläche 89 und einem geschlossenen Ende 90.

Gemäß Figur 7 werden mehrere Lagerflächen 94 an der Innenfläche der Seitenwand der Schale definiert,und in der bevorzugten Ausführungsform nach Figur 7 sind die Lagerflächen im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmig, um das Profil mehrerer etwa Seite an Seite angeordneter Nadeln zu approximieren. Wie aus Figur 6 hervorgeht, erstrecken sich die Lagerflächen 94 von etwa der Außenkante der Lagerschale nach innen über praktisch die gesamte Tiefe der Schale.

Wenn die Lagerschale 86 nach Figur 6 auf einem Ende eines Zapfens angeordnet wird, erfolgt eine Berührung der Lagerflächen 94 mit der Übertragungsfläche des Zapfens. Diese Übertragungsfläche ist in Figur 7 mit 96 bezeichnet und ist im wesentlichen eine zylindrische Fläche, die geschliffen oder in anderer Weise am Ende des Zapfens 79 ausgebildet ist.

Die Lagerflächen 94 nach Figur 7 sind mithin der Gestalt von Wälznadeln insoweit angenähert, als ihre Berührung mit der Übertragungsfläche 96 des Zapfens betroffen ist. Da die Lagerflächen 94 nach Figur 7 einstückig mit der Schale 86 ausgebildet sind, kann keine Relativdrehung zwischen den Lagerflächen 94 und der Schale erfolgen. Wie oben jedoch bereits erwähnt wurde, weist die einstückige Lagerstruktur nach Figur 7 die Vorteile von Wälznadeln insofern auf, als der Lagerkontakt mit der Zapfen-Ubertragungsflache vorhanden ist, ohne daß jedoch die Nachteile erhöhter Kosten für die Nadeln und erhöhter Kosten für den Zusammenbau gegeben ist, und zwar weil während der Drehung der Antriebswelle eine relativ kleine Bewegung zwischen der Lagerschale und dem Zapfen erfolgt, und die Wälznadeln im Stand der Technik ihrerseits im Betrieb nicht ständig rotieren.

In Figur 9 ist eine andere Ausführungsform der Lagerschale für die Verwendung im Rahmen der Erfindung dargestellt. In Figur 9 ist die Lagerschale 99 mit mehreren beabstandeten, etwa halbkreisförmigen Ausnehmungen 100 in der Seitenwand 101 der Schale ausgestattet, wobei die Ausnehmungen durch Lagerflächen 102 miteinander verbunden sind. In der Ausführungsform nach Figur 9 sind die Lagerflächen 102 definiert als Oegmente einer zylindrischen Fläche mit einer Stegbreite von etwa 0,30 Zoll. Die Außenfläche der Schale 99 ist etwa zylindrisch, wie bei 103 gezeigt ist.

Eine weiter modifizierte oder abgewandelte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 10 gezeigt. In Figur 10 ist die Lagerschale 110 mit einer Seitenwand 112 ausgestattet, die eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche 114 besitzt. An der Außenfläche der Seitenwand 112 befinden sich mehrere Lagerflächen 116, die bei der Ausführungsform nach Figur 10 im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen, um eine Annäherung an das Profil mehrerer etwa Seite an Seite angeordneter Nadeln zu schaffen. Die Aus-

führungsform nach Figur 10 ist mithin eine Umkehrung der Lagerflächen, wie sie in Figur 7 gezeigt sind. Während in Figur 7 die Lagerflächen definiert werden an der Innenfläche der Lagerschale, werden solche Lagerflächen in Figur 10 an der Außenseite der Lagerschale gebildet. Die Lagerschale nach Figur 10 ist wie die in Figur 7 gezeigte Lagerschale eine Schale mit geschlossenem Ende, die sich speziell eignet zur Verwendung mit einem Vier-Zapfen-Kreuz gemäß Figur 3.

In einer noch weiter modifizierten Form der Erfindung kann die Lagerschale mit Lagerflächen sowohl an der Innenais auch an der Außenwand der Schale ausgebildet sein. Wenngleich in der Zeichnung nicht dargestellt, sollte verstanden werden, daß eine solche Struktur die internen Lagerfläche 94 nach Figur 7 und die externen Lagerflächen 116 nach Figur 10 umfaßt.

Figur 11 zeigt eine erfindungsgemäße Lagerschale des offenen Typs. Die Lagerschale nach Figur 11 findet mithin Anwendung bei Übertragungsvorrichtungen wie der in Figur 5 gezeigten Vorrichtung. Die Lagerschale nach Figur 11 ist eine offene Schale 120 mit einer konvexen Außenfläche 122, die in dem in Figur 5 gezeigten Gehäuse 84 aufgenommen werden kann, um in Berührung zu gelangen mit der Gehäuse-Übertragungsfläche 83. Die Innenwand der Lagerschale nach Figur 11 enthält mehrere Lagerflächen 124 von dem in den Figuren 6 und 7 gezeigten Typ. D.h: die Lagerflächen 124 der offenen Schale nach Figur 11 haben einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt und sind dem Profil mehrerer benachbarter Nadeln angenähert.

Eine noch weiter modifizierte Ausführungsform der Lagerschale ist in Figur 12 gezeigt. Die Lagerschale 128 nach Figur 12 besitzt Lagerflächen, die sowohl an der Innenais auch der Außenwand der Schale definiert sind. Lagerflächen 130 befinden sich an der Innenwand der Schale 128,

während sich an deren Außenwand Lagerflächen 132 befinden. Die inneren Lagerflächen 130 nach Figur 12 können in Berührung mit der Zapfen-Übertragungsfläche 134 gelangen. Die äußeren Lagerflächen 132 können in Berührung mit der Gehäuse-Lagerfläche gelangen, die in Figur 5 bei 83 dargestellt ist.

Die Lagerflächen gemäß der Erfindung können viele unterschiedliche Formen und Gestalten annehmen, abhängig von Entwurfsüberlegungen. Während in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Lagerflächen mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt dargestellt sind, damit sie sich dem Profil benachbarter Wälznadeln annähern, versteht sich, daß andere Lagerformen im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden können.

Das Profil der Lagerfläche nach Figur 13a wird durch elliptische Kurven definiert.

Das Profil der Lagerfläche nach Figur 13b wird durch Kurven definiert, die einer Sinuswelle angenähert sind.

Das Lagerflächen-Profil nach Figur 13c ist dem eng beabstandeter dreieckiger Elemente angenähert, die etwa scharfe oder etwas abgerundete Ecken besitzen.

Die Lagerflächen nach der Erfindung können eine große Vielfalt von Berührungspunkten und Berührungsflächen schaffen, darunter, jedoch nicht ausschließlich, Linienberührung, Punkt-zu-Punkt-Berührung, Linien-Zylinder-Berührung, Zylinder-Zylinder-Berührung, kugelförmige Berührung, pyramidenförmige Berührung, Fläche-zu-Fläche-Berührung, um nur einige zu benennen.

Die bevorzugte Ausführungsform der in den Figuren 6 und gezeigten Lagerschale und die abgewandelten Ausführungsformen nach den Figuren 9-13 können unter Verwendung

von Pulvermetallurgie-Methoden hergestellt werden. Diese Methoden gestatten die Ausbildung der Lagerflächen mit einem hohen Maß an Genauigkeit bei einer Vielfalt von Formen.

es

Die Struktur nach den Figuren 6, 7 sowie 9-13 kann auch unter Verwendung herkömmlicher Verformungsmethoden hergestellt werden, z.B. durch Bohren, Ziehen oder dergl.

Wenngleich bislang die Ausbildung der Lagerflächen unter Bezugnahme auf die Lagerschale beschrieben wurde, so versteht sich, daß die Erfindung Strukturen umfaßt, bei denen die Lagerflächen an dem Lastübertragungselement (Kreuz oder Dreifuß) definiert sind. Es wird auf Figur 8 verwiesen, in der die Stirnseite 106 eines Zapfens gezeigt ist, wobei mehrere Lagerflächen 108 an dem Zapfen ausgebildet sind. Die Lagerflächen 108 werden definiert durch mit Abstand voneinander angeordnete Lagerglieder mit halbkreisförmigem Querschnitt. Es sollte verstanden werden, daß, wenn die Lagerflächen am Zapfen definiert sind, die Lagerschale oder das Übertragungselement, welches auf dem Zapfen sitzt, eine praktisch ununterbrochene zylindrische Innenfläche oder eine Übertragungsfläche besitzt, gegen die die Lagerflächen 108 anliegen, wenn Zapfen und Schale zusammengesetzt sind.

Es sollte verstanden werden, daß die Anwendung von Pulvermetallurgie-Methoden die Herstellung vieler Oberflächenkonfigurationen und -formen gestattet und mithin praktisch jegliche theoretisch oder empirisch bestimmte, strukturierte Lagerfläche, von konvex bis konkav, ermöglicht.

Wie oben angemerkt wurde, können Pulvermetallurgie-Verfahren in vorteilhafter Weise dazu eingesetzt werden, die verschiedenen Elemente der vorliegenden Erfindung herzustellen. Bei der Herstellung eines Teils unter Einsatz von Pulvermetallurgie-Verfahren werden normalerweise

drei grundlegende Schritte durchgeführt, d.h. Mischen, Pressen und Sintern.

Beim Mischen werden zuerst vorlegierte Metallpulver mit Schmiermitteln oder anderen Legierungszusätzen gemischt, um eine homogene Mischung der Bestandteile zu erzeugen.

Beim Pressen wird eine bestimmte Menge des gemischten Pulvers durch Schwerkraft einer Präzisionsform zugeführt und mit variierenden Drücken und Temperaturen, die von den Dichteerfordernissen des jeweiligen Teils abhängen, gepreßt.

Beim Sintern durchläuft das Preßteil einen eine gesteuerte Atmosphäre enthaltenden Ofen. Das Teil wird bis unterhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls aufgeheizt und eine geeignete Zeit lang auf der Sintertemperatur gehalten, bevor es abgekühlt wird.

Nach dem Sintern kann das Teil mit zusätzlichem Schmiermittel imprägniert, oberflächen-bearbeitet, platiert oder warmbehandelt werden.

Das Imprägnieren mit Öl oder einem Harz nach dem Sintern ist in Verbindung mit der Erfindung besonders vorteilhaft, da es ein Mittel ist, um dem Universalgelenk ausreichend Schmierstoff zuzuführen, ohne daß die Notwendigkeit zusätzlichen Schmierstoffs in dem Gelenk besteht, so daß kein Bedarf an Schmiernippeln und Schmierstofflöchern besteht.

Das Imprägnieren der Pulvermetallurgie- Teile läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß die Teile in erhitzern öl oder mit Hilfe von Vakuum-Methoden durchnäßt werden. Wenn das Teil im Betrieb durch Reibung erwärmt wird, dehnt sich das öl aus und fließt zu der Lagerfläche. Bei Abkühlung kehrt das öl durch Kapillarwirkung in die Metallporen

des Teils zurück.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Kohlenstoff-Stahl-Pulvermaterial mit hohem Kohlenstoffanteil für die Lagerschale und/oder den Zapfen verwendet.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Erfindung schafft eine Reihe von Vorteilen, die bei herkömmlichen Anordnungen nicht gegeben sind.

Zunächst werden die Materialkosten des Universalgelenks aufgrund der nicht mehr benötigten Wälznadeln, Schmiernippel und Schmierung in dem Kreuz oder dem Dreifuß reduziert. Als Folge davon kann man Dichtungskragen der bekannten Anordnungen, wie beispielsweise in Figur 4 bei 6 gezeigt ist, fortlassen, und statt dessen einen herkömmlichen "O"-Ring verwenden. Der "O"-Ring braucht lediglich die Innenflächen der Schale vor Fremdstoffen zu schützen. Er muß nicht Schmiermittel innerhalb der Schale zurückhalten, da die Schmierung durch das mit öl imprägnierte Schalenmaterial erfolgt.

Weitere Kostensenkungen sind durch den Einsatz der Erfindung möglich, da Montagearbeit verringert wird und nicht das Erfordernis besteht, mehrere Wälznadeln in der Lagerschale zu positionieren, bevor die Schale auf den Zapfen gesetzt wird.

Noch weitergehende Kostenverminderungen sind bedingt durch den Wegfall interner Schmiermitteldurchgänge des Zapfens, Schmiermittellöcher und Schmiermittel, wobei letztere ein abgestuftes Loch erforderten, das zum ortsfesten Halten des Nippels am Zapfen notwendig war.

Eine spürbare Kostensenkung ergibt sich durch die Erfindung auch dadurch, daß Metallpulver verwendet werden. Die Verarbeitung von Metallpulver schafft ein Produkt in der endgültigen oder fast endgültigen Form, so daß Drehen, Oberflächenbehandlungen und Schleifen von Flächen sowie die dazu gehörigen Werkzeuge nicht nötig sind. Durch Herstellen sowohl des Zapfens als auch der Lagerschale aus Metallpulver entfallen praktisch alle Oberflächenbehandlungsarbeiten, Schleif- und Polierarbeiten.

Durch die Erfindung werden Montage- und Wartungsarbeiten
vereinfacht. Ohne lose Nadeln verringert sich die Montagezeit. Das Risiko von Oberflächenverunreinigungen durch
Eintritt von Fremdmaterial wird ebenfalls gesenkt, da
Nadeln, die während Wartungs- und Montagearbeiten aus der Lagerschale herausfallen könnten, nicht vorhanden sind.

Die Beseitigung der Schmierung von dem Nippel aus vereinfacht die Wartung in hohem Maße.

Claims

PATENTANWALT K ^j I 14K/JJO CLEVELAND MOTIVE PRODUCTS, INC. 30505 Clemens Road Westlake, OH 44145 V.St.A. Kraftübertragungseinrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Kraftübertragungssystem, gekennzeichnet durch

a) eine Antriebswelle,

b) eine Abtriebswelle,

c) eine die Antriebswelle und die Abtriebswelle verbindende Kraftübertragungsvorrichtung, wobei

d) die Kraftübertragungsvorrichtung aufweist:

ein Lastübertragungselement mit mehreren Zapfen, von denen jeder eine Ubertragungsflache definiert,

a,

ZO

e) ein für jeweils eine Ubertragungsflache vorgesehenes Lagerteil,

f) das eine Fläche besitzt, die mit einer Ubertragungsflache in Berührung stehende Lagerflächen definiert,

g) und eine Fläche besitzt, die an eine zugehörige Welle gekoppelt ist und wobei

h) die Lagerflächen einstückig mit dem Lagerteil ausgebildet sind.

2. System nach Anspruch 1, bei dem das Lagerteil definiert wird durch eine Schale mit einer Seitenwand, wobei die Lagerflächen an einer Fläche der Seitenwand der Schale definiert sind.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmig sind.

4. System nach Anspruch 3, bei dem die Lagerflächen sich im wesentlichen über die Länge der Schale erstrecken.

5. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen durch Segmente einer zylindrischen Fläche definiert sind.

6. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen im Querschnitt etwa elliptisch sind,

7. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen im Querschnitt etwa sinusförmig sind.

8. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen im Querschnitt etwa dreieckig sind.

9. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen durch gekrümmte Flächen definiert werden.

10. System nach Anspruch 9, bei dem die gekrümmten Flächen konvex sind.

11. System nach Anspruch 9, bei dem die gekrümmten Flächen konkav sind.

12. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagerflächen an der Innenfläche der Seitenwand der Schale definiert sind.

13. System nach Anspruch 2, bei dem die Lagefflächen an der Außenfläche der Seitenwand der Schale definiert sind.

14. System nach Anspruch 2, bei dem die Schale ein geschlossenes Ende aufweist.

15. System nach Anspruch 2, bei dem die Schale an beiden Enden offen ist.

16. System nach Anspruch 1, bei dem das Lagerteil definiert wird durch eine Schale mit einer Seitenwand, die Lagerflächen an einer Innenfläche der Seitenwand definiert sind und zusätzliche Lagerflächen an der Außenfläche der Seitenwand definiert sind.

17. Lagerschale für ein eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle verbindendes Gelenk, gekennzeichnet durch

a) eine Seitenwand,

b) an einer Fläche der Seitenwand definierte Lagerflächen, wobei

c) die Lagerflächen einstückig mit der Schale ausgebildet sind.

18. Lagerschale nach Anspruch 17, bei der die Lagerflächen durch gekrümmte Flächen definiert sind.

19. Lagerschale nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Flächen konvex sind.

20. Lagerschale nach Anspruch 18, bei der die gekrümmten Flächen konkav sind.

21. Lagerschale nach Anspruch 17, bei der die Schale ein geschlossenes Ende besitzt.

22. Lagerschale nach Anspruch 17, bei der die Schale an beiden Enden offen ist.

23. Lagerschale nach Anspruch 17, bei der die Lagerflächen an den Innenflächen der Schale definiert sind.

24. Lagerschale nach Anspruch 17, bei der die Lagerflächen an der Außenfläche der Schale definiert sind.

25. Lagerschale nach Anspruch 17, bei der die Lagerflächen sowohl an der Außen- als auch der Innenfläche der Schale definiert sind.

26. Lastübertragungselement und Lagersatz zur Verwendung in einem eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle verbindenden Gelenk, gekennzeichnet durch

a) ein Lastübertragungselement mit mehreren Zapfen, die jeweils eine Ubertragungsflache definieren,

b) ein jeweils einer Übertragungsfläche zugehöriges Lagerteil,

c) das eine Fläche besitzt, die mit einer zugehörigen Ubertragungsflache in Berührung stehende Lagerflächen definiert,

-^s -a

d) und außerdem eine an die zugehörige Welle zu koppelnde Fläche aufweist, wobei

e) die Lagerflächen einstückig mit dem Lagerteil ausgebildet sind.

27. Element nach Anspruch 26, bei dem das Lagerteil definiert wird durch eine Schale mit einer Seitenwand, wobei die Lagerflächen von einer Fläche der Seitenwand der Schale definiert sind.

28. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen im Querschnitt etwa halbkreisförmig sind.

29. Element nach Anspruch 28, bei dem die Lagerflächen sich etwa über die Länge der Schale hin erstrecken.

30. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen durch Segmente einer zylindrischen Fläche definiert sind.

31. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen durch elliptische Flächen definiert sind.

32. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen durch sinusförmige Flächen definiert sind.

33. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen durch etwa dreieckig geformte Flächen definiert sind.

34. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen durch gekrümmte Flächen definiert sind.

35. Element nach Anspruch 34, bei dem die gekrümmten Flächen konvex sind.

36. Element nach Anspruch 34, bei dem die gekrümmten Flächen konkav sind.

37. Element nach Anspruch 27, bei dem die Schale eine im wesentlichen zylindrische Seitenwand und ein geschlossenes Ende aufweist.

38. Element nach Anspruch 27, bei dem die Schale an beiden Enden offen ist und bei dem die Seitenwand eine gekrümmte Außenfläche besitzt.

39. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen an der Innenfläche der Schale definiert sind.

40. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen an der externen Fläche der Schale definiert sind.

41. Element nach Anspruch 27, bei dem die Lagerflächen sowohl an der Innen- als auch an der Außenfläche der Schale definiert sind.

42. Lastübertragungselement und Lagersatz zur Verwendung in einem eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle verbindenden Gelenk, gekennzeichnet durch:

a) ein Lastübertragungselement mit mehreren Zapfen, von denen jeder mehrere Lagerflächen definiert, welche einstückig mit dem Zapfen ausgebildet sind,

b) ein jeweils einem Zapfen zugehöriges übertragungsteil, das eine jeweils einem Zapfen zugehörige Übertragungsfläche besitzt.

43. Element nach Anspruch 42, bei dem die Lagerflächen im Querschnitt halbkreisförmig sind.

44. Element nach Anspruch 43, bei dem die Übertragungsfläche zylindrisch ist.

45. Verfahren zum Herstellen eines Lastübertragungselements mit Lagersatz zur Verwendung in einem eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle verbindenden Gelenk, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Bilden eines Lastübertragungselements mit mehreren Zapfen, von denen jeder eine Ubertragungsfläche definiert,

b) Bilden mehrerer Lagerteile, die jeweils eine Innenfläche besitzen, welche einstückige Lagerflächen definieren, die in Berührung mit einer zugehörigen Ubertragungsflache bringbar sind, und

c) Zusammenbauen des Lastübertragungselements und der Lagerteile.

46. Verfahren nach Anspruch 45, bei dem der Schritt (b) definiert wird durch Mischen, Pressen und sintern von Metallpulvern.

47. Verfahren nach Anspruch 46, bei dem der Schritt (b) zusätzlich definiert wird durch das Imprägnieren des Lagerteils mit einem Schmiermittel.

48. Verfahren nach Anspruch 45, bei dem der Schritt (a) definiert wird durch Mischen, Pressen und Sintern von Metallpulvern.

49. Verfahren nach Anspruch 48, bei dem der Schritt (a) zusätzlich definiert durch Imprägnieren des Lastübertragungselements mit einem Schmiermittel.

50. Verfahren nach Anspruch 45, bei dem der Schritt (b) definiert wird durch Oberflächenbearbeitungen.

51. Verfahren nach Anspruch 45, bei dem der Schritt (a) definiert wird durch eine Oberflächenbearbeitung.