DE4443093C1

DE4443093C1 - Kugelgleichlaufdrehgelenk

Info

Publication number: DE4443093C1
Application number: DE19944443093
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hildebrandt; Peter Seigert; Peter Juenemann; Herbert Konegen; Frank Puchelski
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 1994-12-03
Filing date: 1994-12-03
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2014-12-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgleichlaufdrehgelenk in Form eines Festgelenkes mit einem Gelenkaußenteil zur Verbindung mit einem ersten Antriebsteil, das eine Innenöffnung bildet, in der im wesentlichen in Längsrichtung verlaufende äußere Kugelbahnen ausgebildet sind, mit einem Gelenkinnenteil, das eine in der Innenöffnung des Gelenkaußenteils einsitzende Nabe zur Verbin dung mit einem zweiten Antriebsteil bildet, auf dem im wesentli chen in Längsrichtung verlaufende innere Kugelbahnen ausgebildet sind, mit jeweils in einander paarweise zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen geführten drehmomentübertragenden Kugeln, wobei die Kugelbahnen in Längsrichtung gekrümmt verlaufen, und mit einem ringförmigen, zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkin nenteil befindlichen Kugelkäfig, der umfangsverteilt Käfigfen ster aufweist, in denen die Kugeln zwischen Axialanschlägen in einer gemeinsamen Ebene gehalten und bei Beugung des Gelenks auf eine winkelhalbierende Ebene zwischen sich schneidenden Achsen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils geführt werden, bei dem an den Kontaktpunkten zwischen den Kugeln und den Kugel bahnen bei Drehmomentbelastung des Gelenks der örtliche Krüm mungsradius der Kugelbahn im Querschnitt durch das Gelenk und der Kugelradius ein Zahlenverhältnis - entsprechend dem Konfor mitätsfaktor - von größer 1 bilden.

Aus der Literatur ist es bekannt, daß die Lastverhältnisse und damit die Haltbarkeit von Gelenken der vorstehend genannten Art durch die Gestaltung der Bahnquerschnittsform beeinflußt wird.

In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Bahnquerschnitts formen vorgeschlagen worden, denen gemeinsam ist, daß bei Dreh momentübertragung in den lastübertragenden Kontaktpunkten zwi schen Bahn und Kugel der örtliche Krümmungsradius der Bahn im Querschnitt durch das Gelenk größer ist als der Kugelradius. Das Verhältnis der beiden Radien wird im weiteren "Konformitätsfak tor" genannt. Er ist definitionsgemäß stets größer 1 und nimmt umso größere Zahlenwerte an, umso geringer die Schmiegung, d. h. also die Konformität - Formgleichheit - der beiden Krümmungen im Wortsinn wird. Sofern im weiteren das Wort "Konformität" in Beschreibung oder Zeichnungen auftaucht, ist hiermit nur der "Konformitätsfaktor" als Zahlenwert in der vorstehend genannten Definition zu verstehen.

In den folgenden chronologisch angeführten Veröffentlichungen sind Variationen der Bahnform, d. h. des Bahnquerschnitts, an gattungsgemäßen Gelenken beschrieben:

DE-GM 18 31 827
DE-PS 11 26 199
DE-PS 11 69 727
DE-OS 16 75 240
DE-PS 24 33 349.

Typische Kugelbahnquerschnitte sind hierbei die Kreisbogenform, der Ellipsenabschnitt, bei dem die lange Achse die Mittelebene bildet, und der gotische bzw. spitzbogenförmige Querschnitt, bei dem die Krümmungsmittelpunkte der beiden Flanken zur Mittelebene versetzt sind. Weiter sind Bahnquerschnitte mit abgeflachtem Bahngrund bekannt, die unter Drehmoment einen zweiten Kontakt punkt mit der Kugel in jeder der Bahnen erzeugen. Aus Symmetrie gründen sind die Bahnquerschnitte jeweils im Gelenkaußenteil und im Gelenkinnenteil in gleicher Weise gestaltet worden.

Bei Lebensdaueruntersuchungen ist ebenso wie bei der systemati schen Schadensanalyse festgestellt worden, daß bei Gelenken der hiermit beschriebenen Art in Abhängigkeit von der Belastung Schäden entweder gehäuft am Gelenkaußenteil oder am Gelenkinnen teil, d. h. der sogenannten Kugelnabe auftreten. Hierbei wurden auch unterschiedliche Schadensarten ermittelt, die am Gelenk außenteil überwiegend als Kantenausbruch an den Bahnen in Er scheinung treten, während sie am Gelenkinnenteil, d. h. der Kugelnabe, in der Regel in Form von Pittings in der Bahnober fläche mit Abstand zu den Kanten auftreten. Das jeweils andere Gelenkbauteil erreicht hierbei offensichtlich die Festigkeits grenzen nicht, so daß dieses als besser an die Belastung ange paßt gelten kann.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gelenke der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Lebensdauererwartungen von Gelenkaußenteil und Gelenkin nenteil bezüglich der Schäden an den Kugelbahnen einander ange glichen werden, so daß insbesondere überwiegende Schadenshäufig keiten an einem der Bauteile eliminiert werden.

Die Lösung hierfür besteht darin, daß das genannte Zahlenver hältnis zwischen dem örtlichen Krümmungsradius der Kugelbahn und dem Kugelradius - entsprechend dem Konformitätsfaktor - für die Bahnen des Gelenkaußenteils größer ist als für die Bahnen des Gelenkinnenteils.

Auf diese Weise wird der Tatsache, daß die Belastungssituation zwischen Kugeln und Bahnen in weitem Maße auch durch die Bahn tiefe und auch durch die räumliche Krümmung der Kugelbahnen im Kontaktpunkt bei Drehmomentbelastung bestimmt und beeinflußt werden, in angemessener Weise berücksichtigt. Abweichend von der vereinfachten Betrachtung des Bahnquerschnittes ist festzustel len, daß bei übereinstimmendem Bahnquerschnitt durch die Bahn krümmung in Längsrichtung die Schmiegung und die Umschließung am Gelenkaußenteil größer ist als am Gelenkinnenteil. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß infolge der erforderlichen endlichen Dicke des Kugelkäfigs die Bahntiefe der Bahnen im Gelenkaußen teil bei gleicher Bahnkonstruktion bei dem Großteil der Kugel festgelenkbauweisen, insbesondere bei den Gelenken mit in Achs richtung hinterschnittfreier Kugelbahnerstreckung, d. h. soge nannten UF(undercut free)-Gelenken, deutlich geringer ist als die Bahntiefe der Bahnen im Gelenkinnenteil. Hieraus ergeben sich die obengenannten Schäden, wenn entweder bei Lastbeauf schlagung die Druckellipse der Hertz′schen Pressung in den Be reich der Bahnkanten gelangt (Kantenausbrüche am Gelenkaußen teil) oder wenn bei Lastbeaufschlagung infolge großer Konformi tätsfaktoren die Druckellipse zu klein und damit zu tiefreichend wird (Pitting am Gelenkinnenteil).

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun erreicht, daß bei Dreh momentbeaufschlagung des Gelenkes unter Abbeugung die Pressungs beanspruchungen in den Kontaktstellen der Kugeln mit den Bahnen des Gelenkinnenteils und des Gelenkaußenteils weitestgehend angeglichen werden, um Schädigungen nur am Gelenkinnenteil oder Schädigungen nur am Gelenkaußenteil (insbesondere an der Bahn kante) zu verhindern. Im günstigsten Fall wird die Gelenklebens dauer dann durch zeitgleich eintretende Schäden am Gelenkinnen teil und am Gelenkaußenteil bestimmt.

Verbesserte Lebensdauerverhältnisse werden selbst dann noch er reicht, wenn - bedingt durch fertigungstechnische Toleranzen bei der Kugelbahnendbearbeitung - die Konformitäten innerhalb eines Streuungsbereiches von den vorgeschlagenen Zahlenwerten abwei chen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen näher erläutert.

Hierin zeigt

Fig. 1 ein Rzeppa-Festgelenk (RF-Gelenk) nach dem Stand der Technik, auf das die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 ein Undercutfree-Gelenk (UF-Gelenk) nach dem Stand der Technik, auf das die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 3 zeigt die Lebensdauer von Gelenkbauteilen über dem Drehmoment für verschiedene übereinstimmende Konformi tätszahlen und abweichende Konformitätszahlen an Nabe und Außenteil für runde Bahnquerschnitte (em 4. ch 3);

Fig. 4 zeigt die Lebensdauer von Gelenkbauteilen über dem Drehmoment für verschiedene übereinstimmende Konformi tätszahlen und abweichende Konformitätszahlen an Nabe und Außenteil für spitzbogenförmige (gotische) Bahn querschnitte (em 5. ch 3);

Fig. 5 zeigt eine Bahnpaarung, die eine Kugel hält, mit Kreisbogenquerschnitt und übereinstimmendem Krümmungs radius der Bahnen nach dem Stand der Technik

a) in unbelastetem Zustand
b) mit einer ersten geringen Belastung
c) mit einer zweiten größeren Belastung
d) mit einer dritten nochmals größeren Bela stung;

Fig. 6 zeigt eine Bahnpaarung, die eine Kugel hält, mit kreisbogenförmigem Querschnitt der Bahnen mit unter schiedlichem Krümmungsradius gemäß der Erfindung

a) in unbelastetem Zustand
b) mit einer ersten zulässigen Belastung
c) mit einer zweiten größeren noch zulässigen Belastung;

Fig. 7 zeigt eine Bahnpaarung, die eine Kugel hält, ähnlich Fig. 6 mit abgewandeltem Krümmungsradius bei Erreichen einer dritten, nochmals größeren Belastung;

Fig. 8 zeigt eine Bahnpaarung, die eine Kugel hält, mit spitzbogenförmigem Querschnitt und übereinstimmendem Krümmungsradius der Bahnflanken nach dem Stand der Technik

a) in unbelastetem Zustand
b) mit einer Belastung;

Fig. 9 zeigt eine Bahnpaarung, die eine Kugel hält, mit spitzbogenförmigem Querschnitt und unterschiedlichen Krümmungsradien der Bahnflanken gemäß der Erfindung

a) in unbelastetem Zustand
b) mit einer zulässigen Belastung.

Fig. 1 läßt ein RF-Gelenk im Halbschnitt erkennen, das im we sentlichen die Teile Gelenkaußenteil 11 (AT), Gelenkinnenteil bzw. Kugelnabe 12 (Nabe), einen Kugelkäfig 13 und drehmoment übertragende Kugeln 14 erkennen läßt. Das Gelenkaußenteil ist mit einem ersten Wellenteil 15 einstückig verbunden. In das Gelenkinnenteil 12 ist eine Steckwelle 16 eingesteckt. Die wei teren erkennbaren Einzelheiten sind für die Übertragung der Drehmomente unwesentlich.

Im Gelenkaußenteil ist eine erste Kugelbahn 17 erkennbar, der eine im Gelenkinnenteil 12 ausgebildete Kugelbahn 18 entspricht. Beide Kugelbahnen sind kreisbogenförmig gekrümmt, wobei die Krümmungsmittelpunkte in Richtung der Achse A des Gelenkes ge geneinander versetzt sind. Gelenkaußenteil 11 und Käfig 13 bil den eine erste kugelige Flächenpaarung 19. Der Käfig 13 hat eine kugelige Innenfläche 20, die mit dem Gelenkinnenteil 12 eine zweite führende Flächenpaarung bildet.

In Fig. 2 ist ein UF-Gelenk dargestellt, das im wesentlichen die Teile Gelenkaußenteil 11 (AT), Gelenkinnenteil bzw. Kugelna be 12 (Nabe), einen Kugelkäfig 13 und drehmomentübertragende Kugeln 14 erkennen läßt. Das Gelenkaußenteil ist mit einem er sten Wellenteil 15 einstückig verbunden. In das Gelenkinnenteil 12 ist eine Steckwelle 16 eingesteckt. Die weiteren erkennbaren Einzelheiten sind für die Übertragung der Drehmomente unwesent lich.

Im Gelenkaußenteil ist eine erste Kugelbahn 17 erkennbar, der eine im Gelenkinnenteil 12 ausgebildete Kugelbahn 18 entspricht. Beide Kugelbahnen sind in einem Teilbereich ihrer axialen Er streckung kreisbogenförmig gekrümmt, wobei die Krümmungsmittel punkte in Richtung der Achse A des Gelenkes gegeneinander ver setzt sind. An die Kreisbogenabschnitte schließen sich etwa achsparallele gerade Bahnabschnitte auf zueinander entgegenge setzten Seiten der Mittelebene an. Gelenkaußenteil 11 und Käfig 13 haben eine erste kugelige Flächenpaarung 19. Käfig 13 hat eine kugelige Innenfläche 20, die mit dem Gelenkinnenteil 12 eine zweite, führende Flächenpaarung bildet.

In Fig. 3 ist für verschiedene Gelenke mit kreisbogenförmigem Bahnquerschnitt mit unterschiedlichen Konformitätsverhältnissen der Einfluß der Konformität auf die Lebensdauer über dem Dreh moment dargestellt. Es sind die Verhältnisse für die Gelenkbau teile dreier Gelenke dargestellt und zwar

- nach dem Stand der Technik
- gemäß der Erfindung mit vergrößerter Konformität des Außenteils für einen ersten Wert
- gemäß der Erfindung mit vergrößerter Konformität des Außenteils für einen zweiten Wert.

Die aufgetragenen Lebensdauerwerte L (in 10⁶ Überrollungen) wurden hierzu aus dem aus F. Schmelz; H.-Ch. Graf v. Seherr- Thoss; E. Aucktor: "Gelenke und Gelenkwellen: Berechnung, Ge staltung, Anwendungen", Berlin, Heidelberg, New York, usw., Springer 1988, S. 125, Gleichung L₂/L₁ in Verbindung mit S. 122, Tabelle 4.5. ableitbaren Zusammenhang

bestimmt, wobei P₀ die maximale Hertz′sche Kontaktpressung bei dem zu beurteilenden Lastzustand darstellt. Bei der betrachteten Gelenkgeometrie handelt es sich um ein Kugelfestgelenk der An melderin der 1700er Klasse, das im Gelenkinnenteil einen maximal möglichen Kontaktwinkel im Bahnquerschnitt von 74°, im Gelenk außenteil einen maximal möglichen Kontaktwinkel im Bahnquer schnitt von 68° bei jeweils kreisbogenförmigen Bahnquerschnitt (Rundbahn) aufweist. Als Kontaktwinkel wird hierbei der Winkel zwischen einer radialen Längsmittelebene einer Bahn und dem Strahl vom Kugelmittelpunkt zum Kontaktpunkt zwischen Kugel und Bahn bezeichnet.

Im ersten Beispiel - einem Gelenk mit Rundbahn nach dem Stand der Technik (gestrichelte Kurven) - ist der Lebensdauerverlauf des Gelenkaußenteils mit Pluszeichen, der Lebensdauerverlauf des Gelenkinnenteils (Nabe) mit kleinen Quadraten dargestellt.

Bei kleinen Drehmomenten bis etwa 550 Nm liegt die Lebensdauer erwartung der Nabe unterhalb der des Außenteiles, die Lebens dauer des Gelenkes wird somit durch die Nabe bestimmt, während das Außenteil noch eine deutliche Lebensdauerreserve aufweist.

Bei größeren Drehmomenten weist die Lebensdauerkurve des Außen teiles einen signifikanten Abfall auf, dies hervorgerufen durch ein Überschreiten der Bahnkante durch die Druckellipse, welches an der Bahnkante eine lebensdauerreduzierende Kantenpressung verursacht.

Die Lebensdauer des Gelenkes wird somit durch das Außenteil bestimmt, während die Nabe noch eine deutliche Lebensdauerreser ve aufweist. Oberhalb von etwa 700 Nm erreicht auch die Druckel lipse in der Nabe die Bahnkante, was bei höheren Momenten zu einem signifikanten Abfall der Lebensdauererwartung der Nabe führt. Da die Lebensdauer des Außenteils jedoch deutlich niedri ger liegt, hat dies keinen Einfluß auf die Lebensdauer des Ge lenkes.

Im zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Le bensdauer der Bauteile eines Gelenkes gleicher Grundgeometrie (punktierte Kurven) dargestellt, bei dem die Nabe, die mit Sternchen bezeichnet ist, ebenfalls eine Rundbahn der Konformi tät 1.01 aufweist, während die Konformität des Außenteils, das mit großen Quadraten bezeichnet ist, auf K = 1.02 vergrößert wurde. Dieser Konformitätsunterschied führt dazu, daß bis zu einem Drehmoment von etwa 950 Nm die Nabe eine höhere Lebens dauer als das Außenteil aufweist.

Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich eine Gelenklebens dauer, die bis zu einem Drehmoment von etwa 610 Nm unterhalb der eines Gelenkes nach dem Stand der Technik gemäß dem ersten Aus führungsbeispiel liegt. Der besondere Vorteil dieses erfindungs gemäßen Gelenkes ist jedoch die deutlich gesteigerte Gelenkle bensdauer bei höheren Drehmomenten; dies bietet die Möglichkeit, für eine gegebene Fahrzeuganwendung ein wesentlich kleineres Gelenk einzusetzen, ohne daß die Lebensdauer bei den relevanten Lastniveaus signifikant abfällt.

Im dritten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel (durchgezogene Kurven) ist die Lebensdauer eines Gelenkes dargestellt, bei dem die Nabe ebenfalls eine Rundbahn der Konformität 1.01 aufweist, die Konformität des Außenteils auf K = 1.0125 vergrößert wurde. Der Lebensdauerverlauf der Nabe ist mit X-Zeichen dargestellt, der des Außenteils mit Rauten.

Im Vergleich mit dem Stand der Technik nach dem ersten Ausfüh rungsbeispiel führt der erfindungsgemäße Konformitätsunterschied zu einer Herabsetzung der Lebensdauer des Gelenkaußenteiles auf das Niveau der Lebensdauer der Nabe, die Lebensdauer des Gelen kes insgesamt wird nicht beeinflußt. Der Vorteil dieses Ausfüh rungsbeispieles liegt in der deutlich gesteigerten Lebensdauer bei Drehmomenten größer als 550 Nm. Hauptgrund hierfür ist, daß die Last, bei der die Druckellipse im Außenteil die Bahnkante erreicht, durch diese besondere Bahngestaltung auf einen höheren Wert verschoben wird.

Dieses dritte Ausführungsbeispiel weist somit über dem gesamten Drehmomentenbereich eine zumindest gleichwertige, bei hohen Lasten deutlich gesteigerte Lebensdauer als ein vergleichbares Gelenk nach dem Stand der Technik auf.

In Fig. 4 ist für verschiedene Gelenke mit spitzbogenförmigem Bahnquerschnitt mit unterschiedlichen Konformitätsverhältnissen der Einfluß der Konformität auf die Lebensdauer über dem Drehmo ment dargestellt, wobei sich im Prinzip abweichende Kurven erge ben. Es sind die Verhältnisse für die Gelenkbauteile dreier Gelenke dargestellt und zwar

- nach dem Stand der Technik
- gemäß der Erfindung mit vergrößerter Konformität des Außenteils und
- gemäß der Erfindung mit verringerter Konformität der Nabe.

Im ersten Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik (ge strichelte Kurven) ist der Lebensdauerverlauf der Nabe durch Quadrate und der des Außenteils durch Plus-Zeichen dargestellt. Die Lebensdauer der Nabe nimmt in stetigem Verlauf ab, während die Lebensdauer des Außenteils bis etwa 700 Nm etwa parallel verläuft mit etwas höherem Wert, dann jedoch scharf abknickt und für höhere Drehmomente die Lebensdauer des Gesamtbauteils be stimmt.

Im zweiten und erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel (gepunktete Kurven) ist der Verlauf für die Nabe durch Sternchen, der Ver lauf für das Außenteil durch große Quadrate dargestellt. Hierbei ist bis zu Drehmomenten von 800 Nm der Drehmomentverlauf des Außenteils auf den der Nabe abgesunken, für die sich im Prinzip nichts wesentlich geändert hat. Oberhalb von Drehmomenten von 750 Nm verhält sich jedoch das Außenteil gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Mit dieser Lösung ist eine geeignete Lösung insbesondere für das Kollektiv in hohen Drehmomenten gegeben.

Im dritten und erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel (durchgezo gene Kurven) ist der Verlauf für die Nabe mit X-Zeichen, der Verlauf für das Außenteil durch Rauten dargestellt. Hierbei ist der Verlauf für die Nabe über dem gesamten dargestellten Bereich verbessert, also inbesondere auch bei niedrigen Drehmomenten gegenüber dem eingangs genannten Beispiel. Der Verlauf für das Außenteil fällt dagegen bei etwa 700 Nm in gleicher Weise stark ab wie beim eingangs genannten Ausführungsbeispiel, so daß sich insbesondere für Lastkollektive mit vorwiegend geringen Drehmo menten eine Verbesserung gegenüber dem Beispiel nach dem Stand der Technik ergibt.

In Fig. 5a ist jeweils im Querschnitt ein Abschnitt eines Ge lenkaußenteils 11 mit einer Bahn 17, eines Gelenkinnenteils 12 mit einer Bahn 18 sowie eine Kugel 14 dargestellt. Auf die Dar stellung des Kugelkäfigs wurde verzichtet. Im Gelenkaußenteil 12 ist eine kreisbogenförmige Bahn 17 im Querschnitt erkennbar, im Gelenkinnenteil 12 eine kreisbogenförmige Bahn 18. Der Krüm mungsradius R₁₇ der Bahn 17 ist gleich dem Krümmungsradius R₁₈ der Bahn 18. die Darstellung bezieht sich auf das unbelastete Ge lenk. Die Kugel 14 hat jeweils Kontakt in Kontaktpunkten 27, 28, die in der Mittelebene E der Bahnen liegen.

In Fig. 5b hat sich gegenüber Fig. 5a das Gelenkaußenteil 11 gegenüber dem Gelenkinnenteil 12 unter Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn verschoben. Aufgrund der Verengung des freien Bahnquerschnittes bilden sich eine Druckellipse 21b im Gelenk außenteil und eine Druckellipse 22b im Gelenkinnenteil. Deren Begrenzungen liegen jedoch noch mit Abstand zu den Bahnkanten 23 der Bahn 17 bzw. 24 der Bahn 18. Aufgrund des Einflusses der Bahnkrümmung in Längsrichtung ist die Druckellipse 22b tiefer, so daß erste Schäden am Gelenkinnenteil auftreten werden. Die Kontaktpunkte 27, 28 sind durch eine Wirkungsgerade W verbunden, die mit der Mittelebene einen Kontaktwinkel α_b bildet. Die übrigen Einzelheiten sind wie vor beziffert.

In Fig. 5c ist eine Darstellung bei gegenüber Fig. 5b erhöhtem Drehmoment gegeben. Der Kontaktwinkel α_c ist gegenüber dem Kon taktwinkel α_b vergrößert. Gleichzeitig sind die Druckellipsen 21c im Gelenkaußenteil 11 und 22c im Gelenkinnenteil 12 verbreitert und vertieft. Bei gleichem Bahnradius hat aufgrund der flachen Ausbildung der Bahn 17 nunmehr die Druckellipse 21c die Kante 23 der Bahn erreicht. Aufgrund der höheren Belastung in der Bahn des Gelenkinnenteils sind bei diesem Lastzustand erste Schäden im Gelenkinnenteil zu erwarten, während das Gelenkaußenteil noch ein Lebensdauerreserve aufweist.

In Fig. 5d ist eine nochmals erhöhte Belastung dargestellt. Der Kontaktwinkel α_d ist gegenüber dem Kontaktwinkel α_b weiter ver größert. Die Druckellipse 21d hat die Begrenzung durch die Bahn kante 23 der Bahn 17 überschritten, so daß dort eine Druckspitze 25 entsteht. Im dargestellten Lastfall ist der Betrag der maxi malen Pressung an der Bahnkante des Außenteils in etwa gleich dem Betrag der maximalen Pressung in der Nabe. Für ein Gelenk nach Stand der Technik stellt dieses die maximale Belastung dar, bei der Ausfälle in beiden Bahnen annähernd zeitgleich erwartet werden können. Jeder weitere Lastanstieg führt zu einer noch größeren Erhöhung an der Bahnkante des Außenteils und somit dort zu ersten Schäden, während die Nabe noch eine deutliche Lebens dauerreserve aufweist.

In Fig. 6a ist jeweils im Querschnitt ein Abschnitt eines Ge lenkaußenteils 11 mit einer Bahn 17, eines Gelenkinnenteils 12 mit einer Bahn 18 sowie eine Kugel 14 dargestellt. Auf die Dar stellung des Kugelkäfigs wurde verzichtet. Im Gelenkaußenteil 11 ist eine kreisbogenförmige Bahn 17 im Querschnitt erkennbar, im Gelenkinnenteil 12 eine kreisbogenförmige Bahn 18. Der Krüm mungsradius R₁₇ der Bahn 17 ist erfindungsgemäß größer als der Krümmungsradius R₁₈ der Bahn 18. Die Darstellung bezieht sich auf das unbelastete Gelenk. Die Kugel 14 hat jeweils Kontakt in Kon taktpunkten 27, 28, die in der Mittelebene E der Bahnen liegen.

In Fig. 6b hat sich gegenüber Fig. 6a das Gelenkaußenteil 11 gegenüber dem Gelenkinnenteil 12 unter Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn verschoben. Aufgrund der Verengung des freien Bahnquerschnittes bilden sich eine Druckellipse 21b im Gelenk außenteil und eine Druckellipse 22b im Gelenkinnenteil. Deren Begrenzungen liegen jedoch noch mit Abstand zu den Bahnkanten 23 der Bahn 17 bzw. 24 der Bahn 18. Die unterschiedlichen Bahnkrüm mungsradien führen unter Berücksichtigung des Einflusses der Längskrümmung der Bahnen zu einem gleichen Pressungsmaximalwert der Druckellipsen 21b, 22b. Ausfälle treten damit gleichzeitig am Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil auf. Die Kontaktpunkte 27, 28 sind durch eine Wirkungsgerade W verbunden, die mit der Mittelebene einen Kontaktwinkel α_b bildet.

In Fig. 6c ist eine Darstellung bei gegenüber Fig. 6b erhöhtem Drehmoment gegeben. Der Kontaktwinkel α_c ist gegenüber dem Kon taktwinkel α_b vergrößert. Gleichzeitig sind die Druckellipsen 21c im Gelenkaußenteil 1 und 22c in der Bahn 8 verbreitert und vertieft. Die unterschiedlichen Bahnkrümmungsradien führen unter Berücksichtigung des Einflusses der Längskrümmung der Bahnen zu einem gleichen Pressungsmaximalwert der Druckellipsen 21b, 22b. Ausfälle treten damit gleichzeitig am Gelenkinnenteil und Ge lenkaußenteil auf. Die Druckellipse 21c hat die Kante 23 der Bahn erreicht. Erst bei Überschreiten dieser Belastung kommt es zu ersten Schäden an der Kante 23, also am Gelenkaußenteil.

Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Lastkonfiguration ähnlich wie in Fig. 5d, wobei jedoch hier der Krümmungsradius R₁₇ der Bahn 17 gegenüber dem der Bahn 18 im Verhältnis zu Fig. 6 noch mals vergrößert ist. Hiermit werden zwar in der Bahn 17 ungün stig hohe Hertz′sche Pressungen aufgrund der ungünstigen Schmie gungsverhältnisse in Kauf zu nehmen sein. In vorteilhafter Weise wird jedoch die Kapazität der Bahn 18 voll ausgeschöpft, wobei bei hohen Drehmomenten das Erreichen von Druckspitzen 25, 26 an den Kanten 23, 24 gleichzeitig auftritt, so daß auch Ausfälle an beiden Teilen gleichzeitig stattfinden.

In Fig. 8a ist jeweils im Querschnitt ein Abschnitt eines Ge lenkaußenteils 11 mit einer Bahn 17, eines Gelenkinnenteils 12 mit einer Bahn 18 sowie eine Kugel 14 dargestellt. Auf die Dar stellung des Kugelkäfigs wurde verzichtet. Im Gelenkaußenteil ist eine spitzbogenförmige Bahn 17 im Querschnitt erkennbar, im Gelenkinnenteil 12 eine spitzbogenförmige Bahn 18. Die Bahnen werden im Querschnitt jeweils durch zwei Flanken gebildet, deren erzeugende Krümmungsmittelpunkte gegenüber der Mittelebene E der Bahn versetzt sind. Die Krümmungsradien R₁₇ der Bahn 17 sind gleich den Krümmungsradien R₁₈ der Bahn 18. Die Darstellung bezieht sich auf das unbelastete Gelenk. Die Kugel 14 hat je weils Kontakt in Kontaktpunkten 27, 28, die symmetrisch zur Mittelebene E der Bahnen liegen.

In Fig. 8b hat sich gegenüber Fig. 8a das Gelenkaußenteil 11 gegenüber dem Gelenkinnenteil 12 unter Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn verschoben. Aufgrund der Verengung des freien Bahnquerschnittes bilden sich eine Druckellipse 21b im Gelenk außenteil und eine Druckellipse 22b im Gelenkinnenteil. Deren Begrenzungen liegen noch mit Abstand zu den Bahnkanten 23 der Bahn 17 bzw. 24 der Bahn 18. Aufgrund des Einflusses der Bahn krümmung in Längsrichtung ist die Druckellipse 22b am Gelenkin nenteil tiefer ausgeprägt, so daß erste Schäden am Gelenkinnen teil in Form von Pittings erfolgen.

In Fig. 9a ist jeweils im Querschnitt ein Abschnitt eines Ge lenkaußenteils 11 mit einer Bahn 17, eines Gelenkinnenteils 12 mit einer Bahn 18 sowie eine Kugel 14 dargestellt. Auf die Dar stellung des Kugelkäfigs wurde verzichtet. Im Gelenkaußenteil ist eine spitzbogenförmige Bahn 17 im Querschnitt erkennbar, im Gelenkinnenteil 12 eine spitzbogenförmige Bahn 18. Die Bahnen werden im Querschnitt jeweils durch zwei Flanken gebildet, deren erzeugende Krümmungsmittelpunkte gegenüber der Mittelebene E der Bahn versetzt sind. Die Krümmungsradien R₁₇ der Bahn 17 sind erfindungsgemäß größer als die Krümmungsradien R₁₈ der Bahn 18. Die Darstellung bezieht sich auf das unbelastete Gelenk. Die Kugel 14 hat jeweils Kontakt in Kontaktpunkten 27, 28, die in der Mittelebene E der Bahnen liegen.

In Fig. 9b hat sich gegenüber Fig. 8a das Gelenkaußenteil 11 gegenüber dem Gelenkinnenteil 12 unter Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn verschoben. Aufgrund der Verengung des freien Bahnquerschnittes bilden sich eine Druckellipse 21b im Gelenk außenteil und eine Druckellipse 22b im Gelenkinnenteil. Deren Begrenzungen liegen noch mit Abstand zu den Bahnkanten 23 der Bahn 17 bzw. 24 der Bahn 18. Aufgrund des größeren Krümmungs radius am Gelenkaußenteil sind die Druckellipsen gleichartig, so daß Ausfälle infolge Pittings an beiden Gelenkbauteilen gleich zeitig auftreten.

Claims

1. Kugelgleichlaufdrehgelenk in Form eines Festgelenkes mit einem Gelenkaußenteil (11) zur Verbindung mit einem ersten Antriebsteil (15), das eine Innenöffnung bildet, in der im wesentlichen in Längsrichtung verlaufende äußere Kugelbah nen (17) ausgebildet sind,
mit einem Gelenkinnenteil (12), das eine in der Innenöff nung des Gelenkaußenteils einsitzende Nabe zur Verbindung mit einem zweiten Antriebsteil (16) bildet, auf dem im we sentlichen in Längsrichtung verlaufende innere Kugelbahnen (18) ausgebildet sind,
mit jeweils in einander paarweise zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen (17, 18) geführten drehmomentübertra genden Kugeln (14), wobei die Kugelbahnen (17, 18) in Längsrichtung gekrümmt verlaufen,
und mit einem ringförmigen, zwischen Gelenkaußenteil (11) und Gelenkinnenteil (12) befindlichen Kugelkäfig (13), der umfangsverteilt Käfigfenster aufweist, in denen die Kugeln (14) zwischen Axialanschlägen in einer gemeinsamen Ebene gehalten und bei Beugung des Gelenks auf eine winkelhalbierende Ebene zwischen sich schneidenden Achsen des Gelenkaußenteils (11) und des Gelenkinnenteils (12) geführt werden,
bei dem an den Kontaktpunkten (27, 28) zwischen den Kugeln (14) und den Kugelbahnen (17, 18) bei Drehmomentbelastung des Gelenks der örtliche Krümmungsradius der Kugelbahn im Querschnitt durch das Gelenk und der Kugelradius ein Zah lenverhältnis - entsprechend dem Konformitätsfaktor - von größer 1 bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Zahlenverhältnisse zwischen dem örtlichen Krüm mungsradius der Kugelbahn und dem Kugelradius - entsprechend dem Konformitätsfaktor - für die Bahnen (17) des Gelenk außenteils (11) größer ist als für die Bahnen (18) des Gelenkinnenteils (12).

2. Kugelgleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zahlenverhältnisse zwischen dem örtlichen Krümmungsradius der Kugelbahn und dem Kugelradius - entspre chend dem Konformitätsfaktor - zwischen den Bahnen des Gelenkaußenteils (11) und den Bahnen des Gelenkinnenteils (12) um mindestens 0,002 voneinander abweichen, insbesonde re für Bahnen (17, 18) mit Kreisbogenquerschnitt mit je weils einem einzelnen Krümmungsmittelpunkt.

3. Kugelgleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die genannten Zahlenverhältnisse zwischen dem örtlichen Krümmungsradius der Kugelbahn und dem Kugelradius - entsprechend dem Konfor mitätsfaktor - zwischen den Bahnen des Gelenkaußenteils (11) und den Bahnen des Gelenkinnenteils (12) um mindestens 0,005 voneinander abweichen, insbesondere für Bahnen (17, 18) mit Spitzbogenquerschnitt mit zwei Flanken mit zuein ander versetzten Krümmungsmittelpunkten oder mit Teilellip sen-Querschnitt mit zwei symmetrisch zur langen Achse lie genden Flanken.

4. Kugelgleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zahlenverhältnisse zwischen dem örtlichen Krümmungsradius der Kugelbahn und dem Kugelradius - entspre chend dem Konformitätsfaktor - für die Bahnen des Gelenk außenteils (11) mindestens 1,012 und für die Bahnen des Gelenkinnenteils (12) mindestens 1,01 betragen.

5. Kugelgleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zahlenverhältnisse zwischen dem örtlichen Krümmungsradius der Kugelbahn und dem Kugelradius - entspre chend dem Konformitätsfaktor - für die Bahnen des Gelenkin nenteils (12) mindestens 1,035 und für die Bahnen des Ge lenkaußenteils (11) mindestens 1,04 betragen.