DE3721403A1 - Kreuzgelenk fuer eine gelenkwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk für eine Gelenkwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein Kreuzgelenk dieser Gattung ist aus der DE-OS 27 34 048 (US-PS 41 66 366) bekannt.

In dieser Veröffentlichung wird zunächst Bezug genommen auf herkömmliche Kreuzgelenke, die ein als Zapfenkreuz ausgebilde­ tes Zwischenglied aufweisen, dessen vier Zapfen alle in einer einzigen Achsnormalebene liegen. Gemäß der Beschreibung zu Fig. 1 wurde bei derartigen Kreuzgelenken versucht, das über­ tragbare Drehmoment (bei einem vorgegebenen Rotationsdurchmes­ ser D) dadurch zu erhöhen, daß die Zapfendurchmesser (d) mög­ lichst groß bemessen wurden. Demzufolge mußte aber der zulässi­ ge Beugungswinkel verringert werden, eine Maßnahme, die nur in Grenzen anwendbar ist. Man sah also keine Möglichkeit mehr, die Drehmoment-Kapazität herkömmlicher Kreuzgelenke zu vergrö­ ßern. In der Veröffentlichung wird deshalb vorgeschlagen, die vier Zapfen in Richtung der Drehachse paarweise auseinanderzu­ rücken und sie nicht mehr dem Zwischenglied sondern den beiden Gelenkhälften zuzuordnen, so daß noch größere Zapfendurchmesser (d) vorgesehen werden können.

Im einzelnen weist das bekannte Kreuzgelenk zwei Gelenkhälften auf, die jeweils an dem anzutreibenden bzw. getriebenen Maschi­ nenteil befestigt sind. Die Gelenkhälften sind als Joche ausge­ bildet, in welche ein Mitnahmezapfen eingesetzt ist. Die Zapfen der beiden Gelenkhälften stehen über ein im wesentlichen schei­ benförmiges Zwischenglied und daran befestigte Lagerböcke mit­ einander gelenkig in Verbindung. Der Vorteil dieser Bauweise ist zwar die einfache Montierbarkeit, aber es sind viele ein­ zeln montierte Teile und Trennfugen vorhanden, die an der Kraftübertragung nacheinander beteiligt sind. Dies verleiht dem ganzen Gelenk eine hohe Weichheit und Verformbarkeit, so daß die Gefahr besteht, daß die Wälzkörper der Lager zeitweise nur an ihren Kanten tragen und daß deshalb die Lager vorzeitig ver­ schleißen.

Ferner führt die scheibenförmige Bauart des Zwischengliedes mit den angeschraubten Lagerböcken zu einem verhältnismäßig großen Abstand zwischen den beiden Zapfenachsen, gemessen in Richtung der Gelenk-Drehachse (Maß P in Fig. 2 der DE-OS). Bekanntlich ist das paarweise axiale Auseinanderrücken der Zapfen stets mit dem Nachteil verbunden, daß eine der beiden an das Kreuzgelenk angeschlossenen Wellen sowohl in Axialrichtung als auch in Ra­ dialrichtung eine oszillierende Bewegung ausführen muß. Die Amplitude dieser oszillierenden Bewegungen ist umso größer, je größer der axiale Abstand zwischen den beiden Zapfenachsen und je größer der Beugungswinkel des Kreuzgelenks ist. Im Falle der DE-OS muß also wegen des großen Abstandes P mit gefährlichen Schwingbewegungen gerechnet werden oder man muß den Beugungs­ winkel auf einen relativ kleinen Wert begrenzen.

Die Fig. 3 der DE-OS zeigt einen Versuch, die Drehmoment-Kapa­ zität durch Vergrößern der Zapfendurchmesser (d) (auf z.B. 30% des Rotationsdurchmessers D) und durch Vergrößern der tragenden Zapfenlänge zu erhöhen. Gemäß der Beschreibung zu dieser Figur sind zu diesem Zweck die Lagerböcke gegenüber der Fig. 2 in Richtung zur Gelenkdrehachse vergrößert, so daß die Lagerböcke mittels einer größeren Anzahl von Schrauben steifer mit dem scheibenförmigen Zwischenglied verbunden werden können. Aus diesen Maßnahmen resultiert jedoch eine erhebliche Schwächung desjenigen Materials (oder "Grundkörpers"), welches den Zapfen (40, 41) mit dem übrigen Teil der Gelenkhälfte ("Joch 16") ver­ bindet. Die gewünschte Erhöhung der Drehmoment-Kapazität kommt also nicht oder nicht in nennenswertem Ausmaß zustande.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Kreuzge­ lenk derart weiterzubilden, daß bei einem vorgegebenen Rota­ tionsdurchmesser ein möglichst hohes Drehmoment übertragen wer­ den kann; gleichzeitig soll erreicht werden, daß die aus dem axialen Abstand zwischen den Zapfenachsen resultierenden Schwingungsprobleme so gering wie möglich gehalten werden.

Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zapfen einstückig, also massiv mit den Gelenkhälften verbunden sind und daß das Zwischenglied im wesentlichen ringförmig und ebenfalls einteilig ausgebildet ist. Das Zwischenglied hat radiale Aufnahmebohrungen für die Lagereinheiten und ist derart dimensioniert, daß die Gelenk­ hälften mit ihren Zapfen vom radial inneren Bereich her einge­ fädelt, und daß die Lagereinheiten von radial außen über die Zapfenenden und gleichzeitig in die genannten Aufnahmebohrungen des Zwischengliedes eingesetzt werden können. Auf diese Weise wird es möglich, den axialen Abstand zwischen den Zapfenachsen gegenüber dem bekannten Kreuzgelenk erheblich (z.B. auf etwa die Hälfte) zu verringern. Dadurch wird einerseits die Kinema­ tik des Kreuzgelenks verbessert, d.h. es werden nur verhältnis­ mäßig geringe und somit beherrschbare Schwingungen verursacht. Andererseits erfolgt - im Zusammenwirken mit der einstückigen Bauweise der Gelenkhälften und des Zwischengliedes - eine gün­ stigere Krafteinleitung von den Gelenkhälften in die Zapfen und eine günstigere Weiterleitung des Drehmoments innerhalb des ringförmigen Zwischengliedes von einer Lagereinheit zur ande­ ren. Dies erhöht deutlich die Steifigkeit des ganzen Gelenkes und bewirkt somit eine Erhöhung der Tragfähigkeit der Lager. Durch den verringerten axialen Abstand zwischen den Lagerachsen wird es auch möglich, das erfindungsgemäße Gelenk für Anwen­ dungsfälle einzusetzen, bei denen ein größerer Beugungswinkel gefordert ist.

Im Hinblick auf die erwünschte Verbesserung der Gelenkkinematik wäre es an sich zweckmäßig, den axialen Abstand zwischen den Zapfenachsen möglichst gleich Null werden zu lassen. Dies müßte jedoch mit einer Verringerung der Zapfendurchmesser (und somit der Durchmesser der Aufnahmebohrungen für die Lagereinheiten) und folglich mit einer Verringerung der Drehmomentkapazität erkauft werden. Zur Lösung dieses zusätzlichen Problems konnte gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung (Anspruch 2) ein Kompromiß gefunden werden. Es wurde nämlich erkannt, daß ein verhältnismäßig kleiner axialer Abstand zwischen den Zapfenach­ sen einerseits nur relativ geringe und somit beherrschbare Un­ gleichförmigkeiten verursacht und andererseits die Unterbrin­ gung von vier verhältnismäßig großen Aufnahmebohrungen für die Lagereinheiten im ringförmigen Zwischenglied ermöglicht. Beson­ ders kleine Werte für den axialen Abstand zwischen den Zapfen­ achsen können erzielt werden, indem gemäß Anspruch 10 Hohlkeh­ len an den Gelenkhälften vorgesehen werden.

Durch die im Anspruch 3 angegebenen (und von der Fig. 3 der DE-OS 27 34 048 abweichenden) Maßverhältnisse wird gewährlei­ stet, daß einerseits der "Grundkörper" der Gelenkhälfte genü­ gend dick ist, um das auftretende Drehmoment weiterleiten zu können und daß andererseits die Zapfen dennoch eine für die Drehmomentübertragung ausreichende Länge aufweisen. Im Anspruch 4 ist vorausgesetzt, daß wenigstens eine der beiden Gelenkhälf­ ten mittels eines Flansches und einer gewissen Anzahl achspa­ ralleler Schrauben mit dem benachbarten Bauteil verbunden ist. In vielen Anwendungsfällen wird man beide Gelenkhälften auf diese Weise am treibenden bzw. am getriebenen Bauteil befesti­ gen. Hierbei kommt es darauf an, den Flansch (bzw. die beiden Flansche) in möglichst geringer Entfernung vom Zwischenglied anzuordnen, so daß die axiale Länge des Grundkörpers der be­ treffenden Gelenkhälfte möglichst kurz wird. Dennoch muß selbstverständlich die Beugung des Kreuzgelenks mit dem ge­ wünschten Beugungswinkel möglich sein. Die Lösung dieses Teil­ problems ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 angegeben. Danach werden an der betreffenden Stirnseite des Zwischenglie­ des (oder an beiden Stirnseiten des Zwischengliedes) in Um­ fangsrichtung zwischen den Aufnahmebohrungen für die Lagerein­ heiten zwei Ausnehmungen vorgesehen, welche - trotz der gerin­ gen Entfernung des Flansches - die gewünschte Beugung des Kreuzgelenks zulassen. Zugleich wird durch diese Maßnahme - in Zusammenwirken mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen - erreicht, daß die Gesamt-Baulänge des Kreuzgelenks (gemessen beispielsweise von Flansch zu Flansch) sehr kurz wird. Dies ist wichtig für den Fall der Anwendung zweier erfindungsgemäßer Kreuzgelenke in einer Gelenkwelle, die zur Verbindung von zwei drehbaren Maschinenteilen dient, die in Achsrichtung voneinan­ der um eine vorgegebene Strecke entfernt sind und deren Achsen zueinander um einen vorgegebenen Abstand versetzt sind. Je kür­ zer in diesem Fall die axiale Baulänge der beiden Kreuzgelenke gemacht werden kann, umso kleiner ist der Beugungswinkel in den beiden Kreuzgelenken und umso geringer sind die noch auftreten­ den Ungleichförmigkeiten (als Folge des oben erwähnten Abstan­ des zwischen den Zapfenachsen). Die im Anspruch 4 angegebenen Maßnahmen bringen außerdem Vorteile bei der Montage mit sich, insbesondere den erforderlichen Bauraum für die Schrauben, die zum Befestigen des Flansches bzw. der beiden Flansche an den benachbarten Bauteilen dienen.

Weitere Maßnahmen, die ebenfalls zur Verkürzung der gesamten Baulänge des Kreuzgelenks dienen, sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben.

Durch das Merkmal des Anspruchs 7 wird erreicht, daß bei Beu­ gung des Kreuzgelenks ein Überschreiten des Rotationsdurchmes­ sers durch Teile des ringförmigen Zwischengliedes vermieden wird. Hierzu tragen auch die oben schon erwähnten stirnseitigen Ausnehmungen bei.

Gemäß Anspruch 8 weisen die Lagereinheiten radial außenliegende Lagerdeckel auf. Jeweils zwei einer Gelenkhälfte zugeordnete Lagerdeckel sind mittels eines stabförmigen Zugankers miteinan­ der verbunden, welcher durch eine entsprechende Bohrung entlang der Längsachse des betreffenden Zapfens verläuft. Auf diese Weise wird erreicht, daß Kräfte im Gelenk, die quer zur Gelenk­ drehachse gerichtet sind, jeweils von beiden Lagereinheiten aufgenommen werden. Dies bringt eine gleichmäßigere Belastungs­ verteilung innerhalb des Gelenks mit sich. Gemäß Anspruch 9 ist vorgeschlagen, die Bohrungen im ringförmigen Zwischenglied zur Aufnahme der Lagereinheiten mit einem axialen Bund zu versehen, an dem die Lagerdeckel anliegen zur Übertragung der genannten Querkräfte.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, die ein Ausführungs­ beispiel zeigt, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Gelenkes;

Fig. 2 einen Längsschnitt nach Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein den Fig. 1 und 2 ähn­ liches Ausführungsbeispiel (Schnittverlauf etwa entlang der Linie III-III der Fig. 2;)

Fig. 4 einen Querschnitt nach Linie IV-IV der Fig. 2.

Das Kreuzgelenk besteht aus zwei Gelenkhälften 1, die z.B. über Flansche 2 an den treibenden bzw. getriebenen Bauteilen 20 bzw. 21 befestigt sind. Die Gelenkhälften 1 weisen einstückig ver­ bundene Zapfen 3 auf, die vom Bereich nahe der Gelenkdrehachse 7 ausgehen, auf der Gelenkdrehachse senkrecht stehen und sich nach radial außen erstrecken. Die Achsen 4 der Zapfen 3 stehen, in Richtung der Gelenkdrehachse 7 gesehen, aufeinander senk­ recht und weisen einen axialen Abstand a auf.

Beide Gelenkhälften 1 stehen über ein ringförmig und einteilig ausgebildetes Zwischenglied 5 gelenkig in Verbindung unter Zwi­ schenschaltung von Lagereinheiten 6. Diese Lagereinheiten 6 sind, wie für sich allein bekannt, von radial außen her über die Enden der Zapfen 3 geschoben und in Bohrungen 11 im Zwi­ schenglied 5 eingesetzt, nachdem die Zapfen vom radial inneren Bereich her in die Bohrungen 11 eingefädelt sind (wie dies für ein anderes Kreuzgelenk in Fig. 1 der DE-PS 26 25 960 darge­ stellt ist).

Das Zwischenglied 5 weist am Umfang einen zylindrischen Mitten­ bereich 8 auf, dem sich beidseitig zu den Stirnseiten hin koni­ sche Verjüngungen 9 anschließen sowie eine Hohlkehle 10 und an den Stirnseiten ein weiterer zylindrischer Bereich 8 a mit etwa demselben Durchmesser wie der Mittenbereich 8. In Umfangsrich­ tung sind jeweils zwischen zwei zu einer Gelenkhälfte 1 gehö­ renden Lagereinheiten 6 stirnseitig zum Mittenbereich orien­ tierte Ausnehmungen 16 vorhanden. Dadurch ist gewährleistet, daß das Zwischenglied 5 trotz der axialen Versetzung mit Ab­ stand a auch bei Beugung des Gelenkes den Rotationsdurchmesser des Kreuzgelenks praktisch nicht überschreitet. Die stirnseiti­ gen Ausnehmungen 16 bieten Zugänglichkeit zu den Flanschen 2, insbesondere zur Montage; denn die Flansche werden aus den oben angegebenen Gründen in möglichst geringem Abstand vom Zwischen­ glied 5 angeordnet.

Die Lagereinheiten 6 weisen Lagerdeckel 12 auf, die in Bohrun­ gen 11 eingelassen sind. Beide zu einer Gelenkhälfte und deren Lagereinheiten gehörende Lagerdeckel sind über einen stabförmi­ gen Zuganker 13 verbunden, der sich durch eine Bohrung 15 ent­ lang der Drehachse 4 der Zapfen 3 erstreckt. Dazu weisen die Bohrungen 11 im Zwischenglied 5 bundartige Anschläge 14 auf. Der Zuganker 13 ist in der Lage, die bei dieser Gelenkbauart auftretenden Kräfte quer zur Gelenkdrehachse 7, die sich als Axialkräfte in Richtung der Zapfenachse 4 auswirken, auf beide Seiten des Umfanges des Zwischengliedes 5 zu verteilen, so daß dieser nicht nur geringerer Verformung ausgesetzt ist, sondern auch die Lagereinheiten gleichmäßiger belastet sind. Zur Über­ tragung der Axialkräfte von der Stirnseite der Zapfen 3 auf die Lagerdeckel 12 dienen entweder, wie dargestellt, Druckscheiben 22 oder, bei großen Gelenken, Axial-Wälzlager.

Die beiden Gelenkhälften 1 können, im Gegensatz zum bekannten Gelenk, im Bereich der Gelenkdrehachse 7 in Form von einander zugewandten Hohlkehlen 17 ausgebildet sein, um den axialen Ab­ stand a zwischen den Zapfenachsen 4 möglichst gering zu halten, da an dieser Stelle durch die einstückige Bauweise der Flansche 2 und Zapfen 3 eine geringer belastete Zone vorhanden ist.

Die axiale Versetzung der Zapfen mit Abstand a bringt den wei­ teren Vorteil mit sich, daß die Lagereinheiten selbst im Durch­ messer größer gewählt werden können. Im allgemeinen wird zwar angestrebt, die Lagereinheiten zur Verringerung der Umfangs­ kraft mit möglichst großem effektivem Abstand von der Gelenk­ drehachse 7 radial außen anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine lineare Verringerung der Umfangskräfte auf die Lagereinheiten. Der Gewinn an Tragfähigkeit der Lagereinheiten, wenn diese wei­ ter zur Gelenkdrehachse 7 hin angeordnet sind, steigt jedoch quadratisch mit dem Lagerdurchmesser. In der Fig. 3 ist darge­ stellt, daß der Außendurchmesser der Lagereinheit 6 so groß gewählt ist, daß die unter 45 Grad zur Zapfenachse 4 verlaufen­ den strichpunktierten Linien überschritten werden. Bei bekann­ ten Gelenken sind diese Linien, zuzüglich erforderlicher Min­ destabstände, absolute Grenzlinien zwischen den Lagereinheiten zweier durch ein Zapfenkreuz verbundener Gelenkhälften.

In Fig. 4 ist die Anordnung von Befestigungsschrauben 24 zwi­ schen dem Flansch 2 der Gelenkhälfte 1 und dem angrenzenden Bauteil 21 dargestellt. Die Ausnehmungen 16 erlauben gute Zu­ gänglichkeit zu den Schrauben bei der Montage. Anstelle einer reinen Reibschlußverbindung mittels Schrauben kann zusätzlich noch eine Querkeilanordnung 23 treten gemäß Fig. 1.

Claims (11)

1. Kreuzgelenk für eine Gelenkwelle insbesondere zur Übertra­ gung hoher Drehmomente, mit einer treibenden und einer an­ getriebenen Gelenkhälfte sowie mit folgenden Merkmalen:

• a) beide Gelenkhälften sind gelenkig miteinander verbun­ den, und zwar über je zwei einander fluchtend gegen­ überliegende Zapfen, deren Achsen auf der Drehachse des Kreuzgelenks senkrecht stehen, und über ein Zwi­ schenglied sowie über Lagereinheiten, die zwischen den Zapfen und dem Zwischenglied im radial äußeren Bereich der Gelenkhälften angeordnet sind;
• b) die beiden Achsen der Zapfen und Lagereinheiten sind entlang der Drehachse des Kreuzgelenks in einem axia­ len Abstand (a) voneinander angeordnet;

gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• c) die Zapfen (3) sind massiver Bestandteil der beiden Gelenkhälften (1), d.h. jede der beiden Gelenkhälften bildet mit ihren beiden Zapfen ein einstückiges Bau­ teil;
• d) das die Gelenkhälften (1) gelenkig verbindende Zwi­ schenglied (5) ist ebenfalls einstückig und im wesent­ lichen ringförmig ausgebildet und weist durchgehende Bohrungen (11) auf zur Aufnahme der Lagereinheiten (6) und ist ferner eingerichtet zum Einfädeln der Zapfen (3) der Gelenkhälften (1) von der radial inneren Seite aus.

2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die fol­ genden Merkmale:

• a) der Durchmesser (d) der Zapfen (3) beträgt etwa 25 bis 40%, vorzugsweise 30 bis 35% des Rotationsdurchmes­ sers (D);
• b) der axiale Abstand (a) zwischen den Zapfenachsen (4) beträgt 15 bis 35%, vorzugsweise 20 bis 30% des Ro­ tationsdurchmessers (D).

3. Kreuzgelenk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) die tragende Länge (b) der Zapfen (3), d.h. die Länge der Lagerlaufbahn, beträgt etwa 12 bis 20%, vorzugs­ weise 15 bis 18% des Rotationsdurchmessers (D);
• b) die entlang der Zapfenachse gemessene Dicke (e) des Grundkörpers der beiden Gelenkhälften (1) beträgt etwa 30 bis 60%, vorzugsweise 40 bis 50% des Rotations­ durchmessers (D) (Fig. 3).

4. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin wenig­ stens eine der beiden Gelenkhälften (1) mittels eines Flan­ sches (2) mit dem benachbarten Bauteil (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Zwischenglied (5) in Umfangsrichtung zwischen den Aufnahmebohrungen (11) für die Lagereinheiten (6) zwei stirnseitig angebrachte Ausnehmungen (16) aufweist.

5. Kreuzgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schrauben (23) zur Befestigung des Flansches (2) am benach­ barten Bauteil (20) nur im Bereich der zwei Ausnehmungen (16) vorgesehen sind (Fig. 4).

6. Kreuzgelenk nach Anspruch 4 oder 5, worin der Flansch einen Querkeil (24) aufweist, der in eine Nut des benachbarten Bauteils (20) eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querkeil im wesentlichen parallel zur benachbarten Zapfenachse (4) erstreckt.

7. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der äußere Umfang des ringförmigen Zwi­ schengliedes (5) in einem Mittenbereich (8) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und im Bereich der Bohrungen (11) für die Lagereinheiten (6) mit zur Stirnseite sich erstreckenden konischen Verjüngungen (9) versehen ist.

8. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinheiten (6) Lagerdeckel (12) aufweisen, und daß beide den Zapfen (3) einer Gelenkhälfte (1) zugeordnete Lagerdeckel (12) mittels eines Zugankers (13) verbunden sind, der sich durch eine durch die Zapfenachse (4) verlau­ fende Bohrung (15) erstreckt.

9. Kreuzgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zwischenglied (5) vorgesehenen Aufnahmebohrungen (11) für die Lagereinheiten (6) einen axialen Anschlagbund (14) für die Lagerdeckel (12) aufweisen.

10. Kreuzgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gelenkhälften (1) im Bereich der Gelenkdreh­ achse (7) einander zugewandte Hohlkehlen (17) aufweisen.