DE3710827C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein homokinetisches Universalgelenk mit einem Außen­ glied, das an seiner Innenfläche drei axial verlaufende, in gleichen Winkelabstän­ den um seine Achse verteilte Spurrillen aufweist, von denen jede an beiden Sei­ ten mit einer Rollenführungsfläche versehen ist, die sich in Richtung der Achse des Außengliedes erstreckt; einem Dreibein, das drei radial vorstehende, in glei­ chen Winkelabständen um seine Achse verteilte Drehzapfen aufweist und das in dem Außenglied derart montiert ist, daß die Drehzapfen des Dreibeins in den be­ treffenden Spurrillen des Außengliedes aufgenommen werden; und einer auf je­ dem Drehzapfen drehbar gelagerten kugeligen Rolle, deren Außenumfang von den Rollenführungsflächen geführt ist.

Solche Universalgelenke werden vor allem für Fahrzeuge mit Vorderradantrieb verwendet.

Wenn über ein derartiges Universalgelenk Drehmoment übertragen wird, wäh­ rend in der in den Fig. 6 und 7 veranschaulichten Weise das Außenglied 1 einen Arbeitswinkel mit Bezug auf das Dreibein 3 bildet, tauchen die auf den Drehzap­ fen 4 gelagerten kugeligen Rollen 5 schräg mit Bezug auf die Rollenführungsflä­ chen 6 der Spurrillen 2 ein (Fig. 6, 7 und 8), wodurch eine normale Abwälzbewe­ gung der Rollen behindert wird. Die Rollen suchen sich in der durch den Pfeil a angedeuteten Richtung abzuwälzen, werden aber gezwungen, sich entlang der parallel zu der Achse des Außengliedes 1 verlaufenden Spurrille 3 zu bewegen. Dadurch kann es zu einem Schlupf zwischen den Rollenführungsflächen und den Rollen kommen. Insbesondere führen die Rollen 5 gemäß Fig. 6 in der Axialrich­ tung des Außengliedes 1 entlang den Rollenführungsflächen 6 eine hin- und her­ gehende Bewegung aus, im Verlauf deren die Rollen vom Punkt P zu P′, vom Punkt Q zu Q′ bzw. vom Punkt R zu R′ gleiten und sich dann in die Ausgangs­ stellung zurückbewegen. Bei jeder Umdrehung des Gelenks wandern also die Rollen 5 entlang einer geschlossenen Bewegungsbahn auf den Rollenführungsflä­ chen 6. Dabei induziert die zwischen den Rollenführungsflächen und den Rollen wirkende Kontaktkraft eine Axialkraft, deren Richtung und Größe in Abhängig­ keit von der Drehphase variieren. Gemäß Fig. 6 werden zwei der drei Rollen zur linken Seite des Außengliedes 1 gezogen, während die dritte Rolle nach rechts geschoben wird. Entsprechend Fig. 9 ändert sich die Summe der von den drei Rollen erzeugten Axialkräfte dreimal je Umdrehung des Gelenks periodisch von positiv nach negativ und umgekehrt, wodurch insbesondere bei Fahrzeugen Vi­ brationen auftreten können. Sind in bekannter Weise (so auch Fig. 1 der DE-OS 21 57 372) die Spurrillen zylindrisch ausgebildet und die Rollen an den mit den Rollenführungsflächen in Berührung kommenden Flächen mit der gleichen Krümmung wie die Spurrillen versehen, kann sich bei der Bewegung der Rollen auf den Drehzapfen eine unerwünschte hohe Kantenbelastung aufbauen. Steige­ rungen der induzierten Axialkräfte aufgrund unausgeglichener Belastung und Schäden an den Schultern der Rollenführungsflächen können die Lebensdauer des Gelenks verkürzen.

Es ist auch bekannt (Fig. 2 bis 8 der DE-OS 21 57 372 sowie DE-OS 22 34 236), bei einem homokinetischen Universalgelenk mit drei starren, um je 120° zuein­ ander versetzten, mit der angetriebenen oder der treibenden Welle verbundenen Drehzapfen, die mit ihren Achsen in die Wellenachsen schneidenden Ebenen lie­ gen und auf denen kugelförmige Übertragskörper drehbar und in axialer Rich­ tung gleitend gelagert sind, von denen jeder sich zwischen Führungsflächen erstreckt, die auf einem festen Teil der anderen Welle angebracht sind und die Form einer Auskehlung mit kreisbogenförmigem Querschnitt haben (DE-AS 11 94 205), die Übertragungskörper entlang einer zu der Achse der Drehzapfen senkrechten Äquatorialebene in zwei symmetrische Teilstücke zu unterteilen und zwischen die einanderzugekehrten Seiten der Teilstücke ein elastisches Element einzufügen. Letzteres sucht die Teilstücke auseinanderzurücken, um Spiel zwi­ schen den Rollenführungsflächen und den Rollen auszugleichen. Solange bei ei­ nem solchen Gelenk kein Drehmoment übertragen wird, hält das elastische Ele­ ment die Rollenteilstücke in Axialabstand voneinander, und die Rollenteilstücke kommen mit den Spurrillen an insgesamt vier Stellen in Kontakt. Wird aber Drehmoment übertragen, nähern sich die beide Teilstücke einander, während das elastische Element zusammengepreßt wird. Dabei ist die Bemessung so ge­ troffen, daß während der Drehmomentübertragung beide Teilstücke gemeinsam wiederum eine sphärische Außenfläche bilden und es zwischen den Rollen und den zugehörigen Spurrillen zu einem Linienkontakt kommt.

Es ist ferner bekannt (DE-OS 31 34 270), bei einem Gleichlaufdrehgelenk zur Verminderung von unerwünschten Axialkräften ein Gleitstück zwischen den Rollen und der Rollenführungsfläche vorzusehen. Des weiteren ist es bekannt (US-PS 41 67 860), in den Rollenführungsflächen eines Universalgelenks Ölnuten auszubilden. Dabei können sich zwischen der Rollenführungsfläche und der ku­ geligen Oberfläche der jeweiligen Rolle zwei Berührungslinien ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein homokinetisches Universalgelenk mit Dreibein zu schaffen, bei dem die induzierten Axialkräfte und die dadurch ausgelösten Vibrationen herabgesetzt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem homokinetischen Universalgelenk der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der kugeligen Rollen ein­ stückig ausgebildet ist und mit der Rollenführungsfläche immer nur an zwei Punkten in Kontakt steht.

Wird über das homekinetische Universalgelenk nach der Erfindung Drehmoment übertragen, während die Achse des Außengliedes mit der Achse des Dreibeins fluchtet (d. h. der Arbeitswinkel 0° beträgt), wälzen sich die einstückigen kugeli­ gen Rollen unter Aufrechterhaltung des Kontaktes mit der Rollenführungsfläche an zwei Punkten ab, weil der Schnittpunkt der Achsen der Drehzapfen auf der Achse des Außenringes liegt. Aber auch bei einer Drehmomentübertragung bei einem von Null verschiedenen Arbeitswinkel steht jede der einstückigen kugeli­ gen Rollen mit den Rollenführungsflächen ständig an zwei Punkten in Kontakt. Zwar ändert sich dabei die Größe der Kontaktkraft in Abhängigkeit von der Drehphase; gleichwohl ist ein stabiles Arbeiten des Gelenks gewährleistet. Da­ durch, daß jede der einstückigen kugeligen Rollen bei beliebigem Arbeitswinkel mit der zugeordneten Rollenführungsfläche immer nur an zwei Punkten in Kon­ takt kommt, wird nämlich insbesondere zwischen den Kontaktpunkten im mittle­ ren Bereich der Rollenführungsfläche ein Ölsumpf gebildet und ständig auf­ rechterhalten, aus welchem der Rollenführungsfläche und der kugeligen Rolle im Kontaktbereich dauernd Schmiermittel zugeführt wird. Dadurch werden nicht nur eine Reibkorrosion, sondern auch eine anormale Reibung und ein Wärmeaufbau verhindert. Die Vibrationen verursachenden Reibungskräfte werden herabge­ setzt. Für die Ausbildung der Rollenführungsflächen und des Ölsumpfes bedarf es keiner speziellen Bearbeitung. Liegen die beiden Kontaktpunkte nahe dem Zen­ trum der Rollenführungsfläche, wird ferner das Drehmoment verringert, das die kugelige Rolle um eine zu der Achse des Drehzapfens senkrecht stehende Achse zu drehen sucht.

Die zwischen der kugeligen Rolle und der Rollenführungsfläche an den beiden Kontaktpunkten gebildeten Kontaktwinkel, jeweils definiert als der Winkel zwi­ schen der Mittellinie der betreffenden Rolle und einer den Kontaktpunkt mit dem Mittelpunkt der Rolle verbindenden Linie, können voneinander verschieden oder einander gleich sein. Jede Rollenführungsfläche kann zwei Krümmungsmit­ telpunkte haben, und die Krümmungsradien für diese Krümmungsmittelpunkte können voneinander verschieden oder einander gleich sein. Die Rollenführungs­ flächen können auch von jeweils zwei Ebenen gebildet sein.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines homokinetischen Universalgelenks nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt des Universalgelenks nach Fig. 1,

Fig. 3 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht des Universalge­ lenks,

Fig. 4 in größerem Maßstab eine Darstellung entsprechend Fig. 3 für eine abgewandelte Ausführungsform,

Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen, welche die Funktionsweise des er­ findungsgemäßen Universalgelenks erkennen lassen,

Fig. 7 einen Längsschnitt eines konventionellen homokinetischen Gelenks,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung, die das Abwälzen der kugeli­ gen Rollen des Gelenks der Fig. 7 erkennen läßt, und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Pha­ senwinkel 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 gleichen Winkel­ abständen von 120° angeordnet sind, wie dies bei konventionellen Universalge­ lenken der Fall ist. Jede Spurrille 12 hat an jeder Seite eine Rollenführungsfläche 13 mit zwei Krümmungsmittelpunkten, die infolgedessen die Form eines Spitzbo­ gens hat, wobei im zentralen Teil ein axial verlaufender Ölsumpf 14 gebildet wird. Die den Krümmungsmittelpunkten entsprechenden Krümmungsradien können voneinander verschieden oder einander gleich sein.

Ein in dem Außenring 10 montiertes Dreibein 15 steht mit einer Kerbverzahnung 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 ver­ laufenden Drehzapfen 20 ausgestattet. Auf jedem der Drehzapfen 20 ist eine ku­ gelige Rolle 21 über eine Mehrzahl von Nadelrollen 8 drehbar gelagert.

Bei der in Fig. 3 veranschaulichten ersten Ausführungsform liegen die Kontakt­ punkte P 1 und P 2 zwischen der kugeligen Rolle 21 und der Rollenführungsflä­ che 13 derart im zentralen Teil der Führungsfläche 13, daß R = 10° bis 20° be­ trägt. (Der Kontaktwinkel R ist ein Winkel, der zwischen der Mittellinie der ku­ geligen Rolle und einer Linie gebildet wird, welche einen der Kontaktpunkte mit dem Mittelpunkt der sphärischen Rolle verbindet.) Dabei kommen die kugeligen Rollen nicht mit dem zentralen Teil und den Seitenkanten jeder Führungsfläche 13 in Kontakt. Infolgedessen kommt es zu keinem Kontakt zwischen den Seiten­ kanten der kugeligen Rollen 21 und der Rollenführungsfläche 13, und der Be­ reich der Kontaktbeanspruchung, der an den Seitenkanten auftritt, läuft nicht über die Rollenführungsfläche 13. Infolgedessen ist nicht zu befürchten, daß eine unausgeglichene Belastung der kugeligen Rolle 21 zu einer Schräglage der Nadel­ rollen 8 und damit zu erhöhtem Reibungswiderstand führt.

Weil ferner die Kontaktpunkte P 1 und P 2 an dem mittleren Teil der Führungsflä­ che 13 benachbarten Stellen liegen, wird das Drehmoment vermindert, das auf die kugelige Rolle 21 um ihre Achse X-X wirkt und das auf die Reibungskraft in einer zu der Ebene der Fig. 3 senkrechten Richtung, verursacht durch die auf die Kontaktpunkte P 1 und P 2 einwirkende Last, zurückzuführen 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 einwir­ ken) wird geglättet; induzierte Axialkräfte werden herabgesetzt. Das Verhältnis des Durchmessers der Rollenführungsfläche 13 zu dem der kugeligen Rolle 21 sollte vorzugsweise 1,10 bis 1,40 betragen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform, 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 Ebenen benachbarten Bereich gebildet.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der jede Rollenführungsfläche 29 mit zwei Ebenen versehen ist und bei der die Kontaktpunkte P 1 und P 2 mit der ku­ geligen Rolle 21 unsymmetrisch mit Bezug auf die Mittellinie X-X der kugeligen Rollen 21 angeordnet sind.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Kontaktwinkel, die zwi­ schen der Rollenführungsfläche und der kugeligen Rolle an zwei Punkten gebil­ det werden, einander gleich; bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5 unter­ scheiden sich diese Kontaktwinkel voneinander.

Claims (6)

1. Homokinetisches Universalgelenk mit einem Außenglied (10), das an seiner Innenfläche drei axial verlaufende, in gleichen Winkelab­ ständen um seine Achse verteilte Spurrillen (12) aufweist, von denen jede an beiden Seiten mit einer Rollenführungsfläche (13, 22, 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 verteilte Drehzapfen (20) aufweist und das in dem Außenglied derart montiert 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), deren Außen­ umfang von den Rollenführungsflächen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der kugeligen Rollen (21) einstückig ausgebildet ist und mit der Rollenführungsfläche (13, 22, 29) immer nur an zwei Punkten (P 1, P 2) in Kontakt steht.

2. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen der kugeligen Rolle (21) und der Rollen­ führungsfläche (29) an den beiden Punkten (P 1, P 2) gebildeten Kontaktwinkel (R 1, R 2), jeweils definiert als der Winkel zwischen der Mittellinie der betreffenden Rolle und einer den Kontaktpunkt mit dem Mittelpunkt der Rolle verbindenden Linie, voneinander verschieden sind.

3. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen der kugeligen Rolle (21) und der Rollenführungsfläche (13) an den beiden Punkten (P 1, P 2) ge­ bildeten Kontaktwinkel (R), jeweils definiert als der Winkel zwischen der Mittellinie der betreffenden Rolle und einer den Kontaktpunkt mit dem Mittelpunkt der Rolle verbindenden Linie, einander gleich sind.

4. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Rollenführungsfläche zwei Krümmungs­ mittelpunkte hat und die Krümmungsradien für diese Krümmungs­ mittelpunkte voneinander verschieden sind.

5. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Rollenführungsfläche (13) zwei Krümmungs­ mittelpunkte hat und die Krümmungsradien für diese Krümmungs­ mittelpunkte einander gleich sind.

6. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rollenführungsflächen (22, 29) von jeweils zwei Ebenen gebildet sind.