DE8634527U1

DE8634527U1 - Kreuzgelenk für eine hochbelastbare Gelenkwelle

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Publication number: DE8634527U1
Application number: DE8634527U
Authority: DE
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1990-09-06
Anticipated expiration: 1996-12-24

Description

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G 4353 J.M. Voith GmbH Kennwort: "Zapfenkreuzanker" Heidenheim Kreuzgelenk fur eine hochbelastbare Gelenkwelle

Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk für eine zur übertragung hoher Drehmomente geeignete Gelenkwelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. ein Kreuzgelenk dieser Gattung ist bekannt aus der DE-PS 26 25 960 (GB-PS 1 539 497).

Beim Einsatz derartiger Gelenkwellen im Großmaschinenbau sind die Gelenke je nach Einsatzfall nicht nur hohen Drehmomenten/ sondern auch in beträchtlichem Maße Querkräften ausgesetzt. Die Kreuzgelenke sind daher außer mit Radiallagern/ die in erster Linie die Unifangskräfte zu übertragen haben, auch noch mit Axiallagern ausgerüstet zur Aufnahme der Querkräfte und zur Einstellung des Querspiels innerhalb des Gelenks. Die Übertragung der Querkräfte vom Zapfenkreuz auf die Gelenkgabel oder umgekehrt erfolgt über die betreffenden wälzlagerringe, die in der Aufnahmebohrung in der Gelenkgabel axial gesichert sein müssen, wobei diese Sicherung in vollem Umfang der Querkraft unterworfen ist.

Aus der DE-PS 26 25 960 ist bekannt, die in Zapfenlängsachse wirkenden Querkräfte direkt von der Zapfenstirnseite aus in den Lagerdeckel einzuleiten. Es besteht dann die Möglichkeit, die Querkraft entweder über Schrauben in die Gelenkgabel einzuleiten oder über einen Sicherungsring, der in Nuten innerhalb der

Lagerbohrung eingelegt ist. Die Sicherungsringe aber sind den im Großmaschinenbau auftretenden Belastungen oft nicht gewachsen, sie werden aus der Nut gesprengt, was zu einer Zerstörung des Lagers führt.

Daher wurde versucht, die Querkraft vom Bereich der Zapfenwurzel aus, also dem Ubergangsbereich zwischen zwei benachbarten Zapfen, auf einen mit Bund versehenen Radiallager-Außenring in die Gelenkgabel einzuleiten (DE-GM 18 58 494) . Dazu muß jedoch der Außenring entweder vor der Montage des Zapfenkreuzes eingesetzt oder das Lagerauge mit der Lagelbohrung in der Gelenkgabel zweiteilig ausgeführt werden. Die letztere Maßnaäire bringt eine beträchtliche Schwächung des Gelenks sowie des Zapfenkreuzes im Bereich der Zapfenwurzel mit sich, weil durch diese Anordnung des Axiallagers im Bereich der Zapfenwurzel gerade derjenige Bauraum in Anspruch genommen wird, der für eine kräftige Ausbildung des Zapfenkreuzes notwendig ist.

Bei allen bisher beschriebenen Lösungen wird auch die betreffende Gelenkgabel mit der vollen Querkraft zusätzlich zur Umfangskraft beaufschlagt. Die gerade betroffene Gelenkgabelhälfte verformt sich dabei nach radial außen von der Gelenkachne weg. Durch diese Verformung wird das gegenüberliegende Axiallager entlastet, und es entsteht ein entsprechendes Spiel.,Das Spiel in der Gelenkwelle vermindert nicht nur die Laufruhe der Gelenkwelle und die Standzeit aller Lager des Gelenks, sondern beeinträchtigt ferner beim Einsatz der Gelenkwelle in Walzwerken die Qualität des gewalzten Gutes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Kreuzgelenk derart weiterzubilden, daß a?.l2 Lager mit dem Ziel höherer Lebensdauer gleichmäßig belastet werden, und daß die Entstehung von Spiel im Gelenk infolge Einwirkung von Queikräften vermieden wird.

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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale dee An-Spruches 1 gelöst. Oer Erfinder hat erkannt, daß für die Tragfähigkeit der Wälzlager die Steifigkeit des ganzen Gelenks verantwortlich ist, in erster Linie aber die Steifigkeit im Bereich der geschlossenen Lagerbohrungen in den einteiligen Gelenkhälften sowie innerhalb der Lager selbst. Es wird demnach angestrebt, die Lager im Gelenk von der Verformung der Übrigen Gelenkteile freizuhalten. Dies geschieht gemäß der Erfindung durch folgende Maßnahmen:

Das Zapfenkreuz weist eine zentral entlang der Zapfenachse verlaufende Längsbohrung durch die Zapfen auf, in der sich ein stabförmiger Anker befindet. An diesem Anker sind die Lagerdeckel der beiden einander gegenüberliegenden Lagerungen befestigt. Die Lagerdeckel tragen auf ihrer Innenseite die radial äußere Laufbahn der Axiallager und liegen an den Stirnseiten der Gelenkgabel im Bereich der Lagerbohrungen auf.

Ein Kreuzgelenk, dessen Zapfenkreuz mit Längsbohrungen versehen ist und durch die hindurch sich ein Zuganker erstreckt, ist aus der GB-PS 1,033,628 bekannt. Die Zapfen sind dort in stirnseitig geschlossenen Lagerbüchsen mit Nadellagern ohne Innen- und Außenringe gelagert, wobei diese Lagerbüchsen selbst die Gelenkgabelhälften bilden und an die Stirnseite eines Flansches geschraubt sind. Der Zuganker hat vor allem die Aufgabe, die Fliehkräfte der beiden Lagerbüchsen als ganzes aufzunehmen, wobei zu berücksichtigen ist, daß das Gelenk für hohe Drehzahl geeignet sein soll. Aufgrund der mehrteiligen Bauart eignet es sich aber nicht zur übertragung hoher Drehmomente.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung hingegen wird folgendes erreicht: Die vom Zapfenkreuz auf die Gelenkgabel zu übertragende Querkraft, die sich bei entsprechender Winkelstellung der Gelenkwelle als Axialkraft in Richtung der Zapfenachse von der

Gelenkachse weg auswirkt, geht von der Stirnseite des Zapfens über die innere Laufbahn des Axiallagers und die Axiallagerrollen auf die andere Laufbahn am Lagerdeckel über. Dabei wird die Ktnft aber nicht wie bei den bekannten Kreuzgelenken auf kürzestem Wege über den Lagerdeckel oder die Lagerbüchse mittels Schrauben, oder über den Schaft des mit dem Lagerdeckel verbundenen Radiallager-Außenringes mittels Sicherungsringen auf die Gelenkgabel übertragen. Gemäß der Erfindung wird die Querkraft von dem einen Lagerdeckel, der mit der Gelenkgabelhälfte nicht feet verbunden iet> in den mit diesem verbundenen Anker geleitet, welcher bis zum Lagerdeckel der gegenüberliegenden Lagerung führt und dort in gleicher Weise befestigt ist. An dieser Stelle wird die Kraft mit Wirkungsrichtung zur Gelenkachse hin an dieser Gelenkgabelhälfte abgestützt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, naß das Radiallager einen von außen her in die Lagerbohrung bis zu einem Anschlag einschiebbaren Außenring aufweist. Der Lagerdeckel kann sich dabei direkt an der Stirnseite des Außenringes abstützen, oder an der Stirnseite der Gelenkgabel, so daß der Lagerdeckel die axiale Sicherung des Außenringes darstellt.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die beiden Lagerdeckel der Gelenkgabel mittels des durch das Zapfenkreuz hindurchführenden Ankers zusammengespannt werden und dabei gleichzeitig die Radiallager-Außenringe gegen ihre Anschläge drücken. Eine gegen den einen Lagerdeckel wirkende Querkraft wird somit nicht von derjenigen Gelenkgabelhälfte aufgenommen, gegen die die Querkraft von der Gelenkachse her gerichtet ist, sondern von der gegenüberliegenden Gelenkgabelhälfte. Es kommt dadurch nicht zu einer Verformung derjenigen Gelenkgabelhälfte, in der das Axiallager von Querkraft beaufschlagt ist, weil die Querkraft von derjenigen Gelenkgabelhälfte aufgenommen wird, deren Axiallager unbelastet ist. Die von der Gelenkgabel aufzunehmende Querkraft ist bei der erfindungsgemäßen Lösung immer

xur Gelenkachse hin gerichtet/ so daß Einrichtungen zur Sicherung von Lagerringen gegen Ausweichen nach radial außen entfallen können. Die axiale Sicherung für das Radiallager auf der einen Seite des Ankers übernimmt der Lagerdeckel am Radiallager-Außenring aer gegenüberliegenden Lagerung.

Wesentlich dabei ist vor allem der Umstand« daß durch diese Anordnung das belastete Lager von Verformungen im Bereich der Lagerbohrung in der Gelenkgabel freigehalten ist. Dadurch ist ein optimales Tragverhalten sowohl im Radiallager als auch im Axiallager gewährleistet und ohne Verlust an Bauraum auch eine optimale Lebensdauer.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Die Länge des die beiden Lagerdeckel verbindenden Ankers kann so bemessen werden, daß beide Axiallger unter einer definierbaren Vorspannung stehen, die der Anker als Zugspannung ausübt. Die geschilderten Querkräfte treten iramer gleichzeitig mit den aus der Drehmomentübertragung resultierenden Radialkräften in das Gelenk auf. Daher steht das Zapfenkreuz und auch die Gelenkgabel unter einer Verformung, die von der Drehmomentübertragung herrührt. Um das Axiallager auf der Innenseite des Lagerdeckels möglichst gleichmäßig £u belasten, ist vorgesehen, die eine Laufbahn des Axiallagers möglichst nahe an der Zapfenachse im stirnseitigen Bereich des Zapfens anzuordnen, vorzugsweise an der Stirnseite des Radiallager-Innenringes. Der Lagerdeckel, der gemäß der Erfindung weder mit dem Radiallager-Außenring noch mit der Gelenkhälfte selbst direkt verbunden ist, kann mit einer radialen Bewegungsmöglichkeit sowie einer Abdichtung gegen das Lagerinnere ausgestattet sein, so daß sich der Lagerdeckel mit dem daran befestigten Ende des Ankers den Verformungen anpassen kann, ohne sich von dem Radiallager-Außenring abzuheben. Dies gelingt besonders dann, wenn der Lagerdeckel in seinem äußeren Durchmesserbereich

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bicgeelastisch, im Bereich der äußeren Laufbahn für die Rollen des Axiallagers hingegen biegesteif ausgeführt ist. Zwischen den beiden Lagerringen des Radiallagers kann im Bereich der Zapfenwurzel eine Dichtung gegen Austritt von Schmiermittel bzw, Eintritt von Schmutz angeordnet sein. Es ist ferner ohne Verlust von Baurauro möglich, am Radiallaqarinnenring einen von der Zapfenachse wegweisenden Bund vorzusehen, der bis zum Außendusrchmesser des Radiallager-Außenringes reicht und mit dem der Außenring gemeinsam mit dem Innenring aus der Lagerbohrung herausgezogen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung w?rd nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Figo 1 eine Schnittdarstellung durch ein Kreuzgelenk in einer durch die Zapfenachse gelegten und senkrecht auf der Gelenkachse stehenden Ebene

Fig. 2 eine andere Ausführungsform im Kontaktbereich des Lagerdeckels an der Gelenkgabel.

Das Kreuzgelenk gemäß Fig. 1 weist eine aus zwei Hälften bestehende Gelenkgabel 1 auf, in deren Lagerbohrung 2 ein Zapfenkreuz 3 mittels einer Wälzlagerung drehbar gelagert ist. Die Wälzlagerung besteht aus einem Radiallager 5 mit einem Aui.snring 6, den Rollen 7 und einem Innenring 8 sowie aus einem Axiallager 9. Die Rollen 10 des Axiallagers 9 wälzen sich auf einer inneren Laufbahn 11 ab, die sich stirnseitig am Innenring 8 des Radiallagers 5 befindet sowie auf einer äußeren Laufbahn 12, die an der Innenseite eines Lagerdeckels 14 angebracht ist. Zur radialen Führung der Rollen 10 kann ein Bund 13 am Innen-Ring 8 dienen.

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Das Zapfeukreuz 3 weist eine entlang der Zapfenachse 15 durch die Zapfen 4 verlaufende zentrale Längsbohrung 16 auf/ die von der einen Stirnseite bis zur gegenüberliegenden Stirnseite des Zapfenkreuzes 3 reicht. In der Längsbohrung 16 befindet sich ein langgestreckter Anker 17, an dem die Lagerdeckel 14 beider in der Zapfenachse 15 angeordneten Lagerungen befestigt sind, z.B. mittels Schrauben 18. Der Lagerdeckel 14 liegt ferner stirnseitig am Außenring 6 des Radiallagers 5 an, ist mit diesem aber nicht verbunden. Der Außenring 6 ist entlang der Zapfenachse 15 von radial außen her in Richtung zur Gelenkachse 19 bis zu einem Anschlag eiaschiebbar. Dieser Anschlag kann wie dargestellt ein von der Zapfenachse 15 wegweisender Bund 20 am Außenring 6 sein, der an der Gelenkgabel 1 zum Anliegen kommt. Stattdessen kann auch ein zur Zapfenachse 15 weisender Bund in der Bohrung 2 der Gelenkgabel 1 vorgesehen sein. Der Lagerdeckel 14 weist gegenüber der Stirnseite des Außenringes 6 bzw. der Gelenkgabel 1 eine radiale Bewegungsmöglichkeit auf und ist ferner gegen Austritt von Schmiermittel aus der Lagerung mit einer Abdichtung 21 versehen. Außerdem ist der Lagerdeckel 14 gegenüber dem Außenring 6 oder der Gelenkgabel 1 gegen Verdrehung gesichert (nicht dargestellt). Eine weitere Abdichtung 22 befindet sich zwischen dem Außenring 6 und dem Innenring 8. Der Innenring 8 weist ferner in dem der Gelenkachse 19 zugewandten Wurzelbereich 23 des Zapfens 4 einen sich von der Zapfenachse 15 weg erstreckenden Bund 24 auf, der bis in den Durchmesserbereich des Außenringes 6 reicht. Mit diesem Bund kann bei der Demontage des Gelenks der Außenring 6 mit dem Innenring 8 gemeinsam aus der Bohrung 2 herausgezogen werden.

Das bekannte Gelenk weist an der Stirnseite der Zapfen stufenförmige Absätze auf. Dadurch läßt sich das zapfenkreuz von innen in die Lagerbohrungen einfädeln bevor die Lager von außen eingesetzt werden. Dieser Stufenfolge Absatz läßt sich bei der Erfindung dadurch nutzen, daß der Innenring 8 mit einem Bund 25 versehen wird, der als Anschlag bei der Montage dient sowie als innere Laufbahn 11 für die Rollen 10 des Axiallagers 9 < · · ·

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Es ist beim bekannten Kreuzgelenk nicht raöglich, die Axiallager unter eine kontrollierbare Vorspannung zu stellen. Die Sicherungsringe für den Außenring, die die Querkraft in die Gelenkgabel einleiten sollen, lassen sich nur in die Hut einsetzen, wenn der betreffende Lagerring nicht unter Vorspannung steht. Bei der Erfindung dagegen ist der Anker 15 in der Lage, die Axiallager durch exakte Längenbemessung unter definierbare Vorspannung zu setzen. Dadurch, daß die Axiallager 9 an den Stirnseiten der Zapfen 4 angeordnet sind, unterliegen sie nicht der Verformung des Zapfens 4 an deren Zapfenwurzel 23. Die Verformung der Bohrung 2 in der Gelenkgabel und der Lagerung unter der wirkung der Umfangskraft kann von dem Lagerdeckel 14 elastisch aufgenommen und in den Anker 15 eingeleitet werden. Dabei ist es vorteilhaft, den äußeren Durchmesserbereich des Lagerdeckels 14 so biegeweich auszubilden, daß dennoch kein Abheben von der Stirnseite des Außenringes 6 eintritt. Als Vorteil erweist es sich, daß bei der Übertragung der Querkraft von einer Gelenkhälfte zur anderen diese elastisch unter der vom Anker 17 ausgeübten Zugvorspannung stehen. Dadurch können die Lagerdeckel 14 ohne Bildung von Spiel in den Lagern (infolge radialer Aufweitung beim Auftreten von Querkräften) und somit Spiel im Gelenk den unvermeidbaren Verformungen folgen. Der Anker 17, der die Lagerdeckel 14 und Axiallager 9 gegeneinander verspannt, trägt somit zu einer beträchtlichen Erhöhung der Steifigkeit des Gelenkes und somit der Lebensdauer aller Lager bei.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Kreuzgelenk ist besonders vorteilhaft anwendbar bei Gelenkwellen mit einem Zapfenkreuz, dessen Zapfen in zwei entlang der Gelenkachse versetzten Ebenen angeordnet sind, ferner bei Gelenkwellen, deren Stirnseiten rohrförmig enden, z.B. gemäß der DE-OS ... (Patentanmeldung P 34 46 495.6-12).

In Fig. 2 ist eine andere Anordnung des Lagerdeckels 14 im Bereich der Gelenkgabel dargestellt. Der Radiallager-Außenring ist stirnseitig ohne Bund ausgeführt und schließt glatt mit der Lagerbohrung 2 ab. Der Anschlag für den Außenring befindet sich (nicht dargestellt) an der Innenseite der Lagerbohrung 2. Der Lagerdeckel 14 stutzt sich mit radialer Beweglxchkeit und Abdichtung sowie Verdrehsicherung (nicht dargestellt) direkt am äußeren Ende an einer bearbeiteten Fläche der Gelenkgabel ab.

16.12.1986 DK/Py
0368k/48-56

Claims

G 4353 " "J.M. Voith OmbH

Kennwort: "Zapfenkreuzanker" Hei<3enheim

1. Kreuzzapfengelenk für eine zur Übertragung hoher Drehmomente geeignete Gelenkwelle/ r..it zwei Gelenkgabeln, von denen jede mit zwei Zapfen eines Zapfenkreuzes verbunden ist/ mit den Eölgenäen Merkmalen;

a) jede Gelenkgabel ist einteilig, d.h. eine Gelenkgabel-Nabe und zwei Gabelaugen bilden miteinander ein einstlickiges Beuteil;

b) jeder Zapfen des Zapfenkreuzer ist mittels eines Radiallagers und mittels eines hiervon separaten Axiallagers in dem zugeordneten, mit eineai Lagerdeckel versehenen Gabelauge gelagert;

c) das Axiallager befindet sich zwischen der Stirnseite des Zapfens und dem Lagerdeckel, der (mittelbar oder unmittelbar) auf einer von der Gelenkwellen-Drehachse abgewandten Stützfläche des Gabelauges ruht;

gekennzeichnet durch die folgenden weiteren, an sich bekannten Merkmale:

d) entlang der Achsen der Zapfen (4) erstreckt sich eine zentrale Längsbohrung (16) durch das Zapfenkreuz (3);

e) durch die zentrale Längsbohrung (16) erstreckt sich ein Zuganker (17), der zwei einander gegenüberliegende Lagerdeckel (14) miteinander verbindet;

2. Kreuzzapfengelenk nach Anspruch 1, worin jedem Radiallager (5) ein Außenring (6) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Lagerdeckel (14) über den Außenring (6) in Richtung zur Gelenkwellen-Drehachse auf dem zugeordneten Gabelauge abstützt.

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3. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß der Lagerdeckel (14) gegenüber der Gelenkgabel gegen Verdrehung gesichert und radial beweglich ist.

4. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die Lung«· des Ankers (17) so bemessen ist/ daß die Axiallager (9) (und gegebenenfalls der Außenringe (6) der Sädiailäger (5)) beider gegenüberliegender Lagerungen nach der Befestigung der Deckel (14) an dem Anker (17) unter axialer, zur Gelenkachse (19) gerichteter Vorspannung stehen.

5. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ daß das RadiaHager (5) einen Innenring (8) aufweist mit einer der Stirnseite des Zapfens (3) zugewandten Ringfläche (11) als Laufbahn für das Axiallager (9).

6. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Zapfens (4) gegenüber dessen Schaft stufenförmig verjüngt ist und der Innenring (8) des Radiallagers (5) mit einem in diese Verjüngung eintauchenden zur Zapfenachse weisenden Bund (25) versehen ist, auf dem sich die eine Laufbahn (11) des Axiallagers (9) befindet.

7. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet/ daß einer der Außen- oder Innenringe (6/ 8) des Radiallagers (5) mit einem zum anderen Ring weisenden Bund (24) versehen ist zum gemeinsamen Abziehen bei der Demontage aus der Lagerbohrung.

8. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet/ daß der Abziehbund (24) am Innenring (8) des Radiallagers (5) angebracht ist und sich von der Zapfenachse weg erstreckt bis in den Durchmesserbereich des Außenrings (6).

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9. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8/ dadurch gekennzeichnet/ daß zwischen dem Znnenring (8) und Außenring (6) in dem der Zapfenwurzel (23) zugewandten Bereich eine Dichtung (22) vorgesehen ist.

10. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerdeckel (14) im Bereich der anderen Laufbahn des Axiallagers (9) biegesteif und im Bereich der Auflagefläche auf dem Außenring (6) des Radiallagers (5) biegeelastisch ausgebildet ist.

11. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (10) des Axiallagers (9) im Lagerdeckel (14) oder im Innenring (8) des Radiallagers (5) geführt sind.

12. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbohrungen (2) in einer als rohrförmig endenden Stirnseite einer Welle angeordnet sind.

13. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenkreuz (3) zwei Paare von Zapfen (4) aufweist, die in zwei parallelen und entlang der Gelenkachse (19) versetzten Ebenen angeordnet sind.

16.12.1986 DK/Py
0368k/45-47