DE3710827A1 - Homokinetisches universalgelenk - Google Patents
Homokinetisches universalgelenkInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein homokinetisches Universalgelenk, wie es in der
Hauptsache für Fahrzeuge mit Vorderradantrieb verwendet wird, und ins
besondere ein Dreibein-Gleichlaufgelenk.
Ein konventionelles Universalgelenk dieser Art ist in Fig. 8 veranschau
licht. Es weist einen Außenring 1 auf, der an seiner Innenseite mit drei
axial verlaufenden zylindrischen Spurrillen 2 versehen ist, ferner ein in
dem Außenring 1 gelagertes, mit radial abstehenden Drehzapfen 4 verse
henes Dreibein 3 sowie kugelige Rollen 5, die auf den Drehzapfen 4 dreh
bar und axial verschiebbar gelagert sind. Jede kugelige Rolle 5 kann mit
Führungsflächen 6 in Eingriff kommen, die an beiden Seiten der Spurril
len 2 ausgebildet sind.
Wenn bei einem homokinetischen Universalgelenk dieser Art Drehmoment
übertragen wird, während der Außenring 1 einen Arbeitswinkel mit Be
zug auf das Dreibein 3 bildet, taucht jede der kugeligen Rollen 5 mit Be
zug auf die Führungsfläche 6 der zugehörigen zylindrischen Spurrille 2
schräg ein, wie dies in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, so daß eine
normale Abwälzbewegung der kugeligen Rolle 5 behindert wird.
Obwohl nämlich jede kugelige Rolle 5 in der durch den Pfeil (a) angedeute
ten Richtung sich abzuwälzen sucht, wird sie gezwungen, sich entlang der
betreffenden Spurrille 2 zu bewegen, die zylindrisch ist und parallel zu
der Achse des Außenrings 1 verläuft. Infolgedessen kann es zu einem
Schlupf zwischen den Führungsflächen 6 an den Spurrillen 2 und den
kugeligen Rollen 5 kommen. Dies verursacht einen Wärmeaufbau und das
Entstehen von Axialkräften, die zu Vibrationen führen können.
In Fig. 10 ist die Beziehung zwischen dem Phasenwinkel des Gelenks und
der induzierten Axialkraft veranschaulicht.
Der Mechanismus der Erzeugung von induzierten Axialkräften sei unter Be
zugnahme auf die Fig. 6 und 7 erläutert. Fig. 7 zeigt, wie die Bauteile
angeordnet sind, wenn Drehmoment übertragen wird, während der Außen
ring 1 einen Arbeitswinkel mit Bezug auf das Dreibein 3 bildet.
Wenn das Gelenk rotiert, führen die auf den Drehzapfen 4 des Dreibeins 3
gelagerten kugeligen Rollen 5 eine hin- und hergehende Bewegung in der
Axialrichtung des Außenringes 1 entlang den Führungsflächen 6 des Außen
ringes 1 aus. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, kommt es zu einer Gleitbewegung
der drei kugeligen Rollen 5 vom Punkt P zu P′, vom Punkt Q zu Q′ bzw.
vom Punkt R zu R′. Die kugeligen Rollen 5 bewegen sich dann in die Aus
gangsstellung zurück, wobei sie bei jeder Drehung des Gelenks eine ge
schlossene Bewegungskurve entlang jeder Führungsfläche 6 ausführen. Die
Kontaktkraft, die zwischen den Führungsflächen 6 und den kugeligen Rol
len 5 wirkt, induziert eine Axialkraft.
Die Richtung und Größe der von jeder kugeligen Rolle 5 erzeugten Axial
kraft schwankt in Abhängigkeit von der Drehphase. Wie aus Fig. 7 her
vorgeht, werden zwei der drei kugeligen Rollen 5 zur linken Seite des
Außenrings 1 gezogen, während die dritte kugelige Rolle nach rechts ge
zogen wird, so daß eine Druckkraft induziert wird.
Entsprechend Fig. 10 ändert sich die Summe der von den drei kugeligen
Rollen 5 erzeugten Axialkräfte dreimal je Umdrehung des Gelenks perio
disch von positiv nach negativ und umgekehrt. Die Amplitude ist so groß,
daß verschiedene Probleme auftreten, insbesondere bei Fahrzeugen Vibra
tionen entstehen. Weil ferner die Fläche, wo die kugelige Rolle 5 mit der
Führungsfläche 6 in Kontakt kommt, die gleiche eine Krümmung hat, kann
sich eine Kantenbelastung an der Führungsfläche 6 bei der Bewegung der
kugeligen Rollen 5 auf den Drehzapfen 4 aufbauen. Steigerungen der indu
zierten Axialkräfte aufgrund unausgeglichener Belastung und Schäden an
den Schultern der Führungsflächen 6 verkürzen außerdem die Lebensdauer
des Gelenks.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein homokinetisches Universal
gelenk mit Dreibein zu schaffen, das die oben geschilderten Mängel ver
meidet und insbesondere die induzierten Axialkräfte herabsetzt und da
durch die mit Vibrationen verbundenen Probleme beseitigt.
Erfindungsgemäß wird ein homokinetisches Universalgelenk geschaffen, bei
dem die an beiden Seiten jeder Spurrille im Außenring vorgesehenen Rol
lenführungsflächen mit der betreffenden kugeligen Rolle an zwei Punkten
in Kontakt kommen können.
Bei dem homokinetischen Universalgelenk nach der Erfindung erfolgt die
Kraftübertragung durch den Eingriff zwischen den Führungsflächen und
den kugeligen Rollen wie bei einem konventionellen homokinetischen Uni
versalgelenk. Die kugeligen Rollen wälzen sich entlang den Rollenführungs
flächen ab, um ruckfrei einzutauchen.
Erfolgt eine Übertragung der Drehbewegung während die Achse des Außen
rings mit der Achse des Dreibeins fluchtet (d.h., wenn der Arbeitswinkel
0° beträgt), wälzen sich die kugeligen Rollen unter Aufrechterhaltung ei
nes Kontakts mit den Rollenführungsflächen an zwei Punkten ab, weil der
Schnittpunkt der Achsen der Drehzapfen auf der Achse des Außenringes
liegt.
Selbst wenn die Drehbewegung bei einem von Null verschiedenen Arbeits
winkel übertragen wird, steht jede kugelige Rolle mit den Rollenführungs
flächen ständig an zwei Punkten benachbart dem Zentrum der Rollenfüh
rungsfläche in Kontakt, obwohl die Größe der Kontaktkraft sich in Ab
hängigkeit von der Drehphase ändert. Dies gewährleistet ein stabiles Ar
beiten des Gelenks.
Die Ergebnisse einer die interne Reibungskraft in Betracht ziehenden Ana
lyse zeigen, daß die Intensität der induzierten Axialkraft bei dem homoki
netischen Universalgelenk nach der Erfindung um etwa 20% unter derje
nigen von konventionellen Universalgelenken liegt (Fig. 10).
Bei Laborversuchen wurde jedoch gefunden, daß die induzierten Axial
kräfte 30 bis 40% niedriger als bei konventionellen Gelenken sind, was
zum Teil darauf zurückzuführen ist, daß jede Rollenführungsfläche eine
solche Form hat, daß die kugelige Rolle an zwei Punkten mit ihr in Kon
takt kommt, sowie zum Teil darauf, daß ein dadurch gebildeter Ölsumpf
die Schmierung verbessert.
Das homokinetische Universalgelenk nach der Erfindung hat die folgen
den Eigenschaften:
- (a) Weil jede kugelige Rolle mit der Führungsfläche an zwei Punkten be nachbart dem Zentrum der Führungsfläche in Kontakt kommt, werden unsymmetrische Belastungen und das Drehmoment verringert, das auf die kugelige Rolle um eine zu der Achse des Drehzapfens senkrecht stehende Achse wirkt. Dies vermindert die Reibungskraft, welche Vib rationen verursacht.
- (b) Weil die kugelige Rolle mit der Führungsfläche an zwei Punkten benach bart dem Zentrum der Führungsfläche in Kontakt kommt, läuft der Be reich der Kontaktbeanspruchung, zu der es an den Seitenkanten der kugeligen Rolle kommt, nicht über die Rollenführungsfläche.
- (c) Weil im mittleren Bereich der Rollenführungsfläche ein Ölsumpf gebildet wird, wird Schmiermittel ständig zwischen der Rollenführungsfläche und der kugeligen Rolle zugeführt, wodurch nicht nur Reibkorrosion sondern auch anormale Reibung und Wärmeaufbau verhindert werden.
- d) Für die Ausbildung der Rollenführungsflächen und des Ölsumpfes sind keine speziellen Bearbeitungen wie bei konventionellen Gelenken erfor derlich.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines homokinetischen Universalge
lenks nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt des Universalgelenks nach
Fig. 1,
Fig. 3 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht des
Universalgelenks,
Fig. 4 und 5 in größerem Maßstab Darstellungen entsprechend
Fig. 3 für abgewandelte Ausführungsformen,
Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen, welche die Funktions
weise des erfindungsgemäßen Universalgelenks er
kennen lassen,
Fig. 8 einen Längsschnitt eines konventionellen homokine
tischen Gelenks,
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung, die das Abwälzen
der kugeligen Rollen des Gelenks der Fig. 8 erken
nen läßt, und
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
dem Phasenwinkel und der induzierten Axialkraft an
jedem Drehzapfen bei dem konventionellen Gelenk und
bei dem Gelenk nach der vorliegenden Erfindung.
Entsprechend den Fig. 1 bis 4 ist ein Außenring 10 an seinem geschlossenen
Ende mit einer ersten Welle 11 einstückig verbunden. Der Außenring weist
drei axial verlaufende Spurrillen 12 auf, die an seiner Innenfläche in glei
chen Winkelabständen von 120° angeordnet sind, wie dies bei konventionellen
Universalgelenken der Fall ist. Jede Spurrille 12 hat an jeder Seite eine Rol
lenführungsfläche 13 mit zwei Krümmungsmittelpunkten, die infolgedessen die
Form eines gotischen Bogens hat, wobei im zentralen Teil ein axial verlaufen
der Ölsumpf 14 gebildet wird. Die den Krümmungsmittelpunkten entsprechen
den Krümmungsradien können voneinander verschieden oder einander gleich
sein.
Ein in dem Außenring 10 montiertes Dreibein 15 steht mit einer Kerbverzah
nung 17 am einen Ende einer zweiten Welle 16 in Eingriff. Das Dreibein ist
zwischen einem abgestuften Teil 18 und einem Sicherungsring 19 gehalten,
so daß es nicht von der Welle 16 herunterrutschen kann. Das Dreibein 15
ist mit drei radial verlaufenden Drehzapfen 20 ausgestattet. Auf jedem der
Drehzapfen 20 ist eine kugelige Rolle 21 über eine Mehrzahl von Nadelrol
len 8 drehbar gelagert.
Bei der in Fig. 3 veranschaulichten ersten Ausführungsform der Erfindung
liegen die Kontaktpunkte P 1 und P 2 zwischen der kugeligen Rolle 21 und der
Rollenführungsfläche 13 derart im zentralen Teil der Führungsfläche 13, daß
R=10° bis 20° beträgt. (Der Kontaktwinkel R ist ein Winkel, der zwischen
der Mittellinie der kugeligen Rolle und einer Linie gebildet wird, welche ei
nen der Kontaktpunkte mit dem Mittelpunkt der sphärischen Rolle verbindet.)
Dabei kommen die kugeligen Rollen nicht mit dem zentralen Teil und den Sei
tenkanten jeder Führungsfläche 13 in Kontakt. Infolgedessen kommt es zu kei
nem Kontakt zwischen den Seitenkanten der kugeligen Rollen 21 und der
Rollenführungsfläche 13, und der Bereich der Kontaktbeanspruchung, der an
den Seitenkanten auftritt, läuft nicht über die Rollenführungsfläche 13. In
folgedessen ist nicht zu befürchten, daß eine unausgeglichene Belastung der
kugeligen Rolle 21 zu einer Schräglage der Nadelrollen 8 und damit zu er
höhtem Reibungswiderstand führt.
Weil ferner die Kontaktpunkte P 1 und P 2 an dem mittleren Teil der Führungs
fläche 13 benachbarten Stellen liegen, wird das Drehmoment vermindert, das
auf die kugelige Rolle 21 um ihre Achse X-X wirkt und das auf die Reibungs
kraft in einer zu der Ebene der Fig. 3 senkrechten Richtung, verursacht
durch die auf die Kontaktpunkte P 1 und P 2 einwirkende Last, zurückzufüh
ren ist. Die Bewegung jedes Drehzapfens 20 in Richtung der Linie Y-Y mit
Bezug auf die kugelige Rolle 21 (dadurch bedingt, daß die unausgewogenen
Belastungen auf P 1 und P 2 einwirken) wird geglättet; induzierte Axialkräfte
werden herabgesetzt. Das Verhältnis des Durchmessers der Rollenführungs
fläche 13 zu dem der kugeligen Rolle 21 sollte vorzugsweise 1,10 bis 1,40 be
tragen.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine
Rollenführungsfläche 22 mit zwei Ebenen versehen ist. Ein Ölsumpf 23 wird
zwischen der kugeligen Rolle 21 und dem dem Schnittpunkt der beiden Ebe
nen benachbarten Bereich gebildet.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher jede
auf der zylindrischen Führungsfläche 24 sich abwälzende Rolle 25 an beiden
Endteilen 26 kugelig und im mittleren Teil 27 zylindrisch ist und mit der Füh
rungsfläche 24 an zwei Punkten in Kontakt steht. Ein Ölsumpf 28 wird zwi
schen der Führungsfläche 24 und der Rolle 25 gebildet.
Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der jede Rollen
führungsfläche 29 mit zwei Ebenen versehen ist und die Kontaktpunkte P 1
und P 2 mit der kugeligen Rolle 21 unsymmetrisch mit Bezug auf die Mittel
linie X-X der kugeligen Rolle 21 angeordnet sind.
Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Kontaktwinkel, die
zwischen der Rollenführungsfläche und der kugeligen Rolle an zwei Punkten
gebildet werden, einander gleich; bei der vierten Ausführungsform gemäß
Fig. 6 unterscheiden sich diese Kontaktwinkel voneinander.
Claims (5)
1. Homokinetisches Universalgelenk mit einem Außenglied (10), das an seiner
Innenfläche drei axial verlaufende, in gleichen Winkelabständen um seine
Achse verteilte Spurrillen (12) aufweist, von denen jede an beiden Seiten
mit einer Rollenführungsfläche (13, 22, 24, 29) versehen ist, die sich in
Richtung der Achse des Außengliedes erstreckt; einem Dreibein (15), das
drei radial vorstehende, in gleichen Winkelabständen um seine Achse ver
teilte Drehzapfen (20) aufweist und das in dem Außenglied derart mon
tiert ist, daß die Drehzapfen des Dreibeins in den betreffenden Spurril
len des Außengliedes aufgenommen werden; und einer auf jedem Dreh
zapfen drehbar gelagerten kugeligen Rolle (21, 25), deren Außenumfang
von den Rollenführungsflächen geführt ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß jede der kugeligen Rollen (21, 25) mit
der Rollenführungsfläche (13, 22, 24, 29) an zwei Punkten (P 1, P 2) in
Kontakt steht.
2. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die zwischen der kugeligen Rolle (21) und der Rollenführungs
fläche (29) an den beiden Punkten (P 1, P 2) gebildeten Kontaktwinkel
(R1, R2) voneinander verschieden sind.
3. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die zwischen der kugeligen Rolle (21) und der Rollenführungs
fläche (13) an den beiden Punkten (P 1, P 2) gebildeten Kontaktwinkel (R)
einander gleich sind.
4. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß jede Rollenführungsfläche zwei Krümmungsmittelpunkte hat und
die Krümmungsradien für diese Krümmungsmittelpunkte voneinander ver
schieden sind.
5. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß jede Rollenführungsfläche zwei Krümmungsmittelpunkte hat und
die Krümmungsradien für diese Krümmungsmittelpunkte einander gleich
sind.
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