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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichlauffestgelenk, das beispielsweise als radseitiges Gelenk in einer Vorderachs-Seitenwelle eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Gleichlauffestgelenk umfassend ein Gelenkaußenteil mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, ein Gelenkinnenteil mit an seinem Außenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln, sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil angeordneten Käfig, der in Umfangsrichtung Fenster zur Aufnahme jeweils einer Kugel aufweist.
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An Vorderachs-Seitenwellen werden als radseitige Festgelenke in der Regel Gelenke in RF-/UF-Bauart eingesetzt, deren Kugellaufbahnmittelachsen in Radialebenen verlaufen, die die jeweilige Längsachse des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils einschließen. Beim Beugen des Gelenks werden die Kugeln durch den Käfig in eine Halbwinkelebene gesteuert, die zwischen den im Fall einer Beugung des Gelenks zueinander angewinkelten Längsachsen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils aufgespannt wird. Bei kleinen Beugewinkeln weisen die hierbei auftretenden Axialkräfte der Kugeln in die gleiche Richtung und werden vom Käfig aufgenommen. Der Käfig ist an gekrümmten Wandabschnitten des Gelenkaußenteils und das Gelenkinnenteils geführt. Die Axialkräfte der Kugeln drücken somit den Käfig gegen dessen Führungsbahnen am Gelenkaußenteil bzw. Gelenkinnenteil. In Abhängigkeit des zu übertragenden Drehmoments können hierbei Stützkräfte von einigen hundert Newton auftreten. Diese Kräfte wirken auf radial weit von den Beugeachsen des Gelenkaußenteils und Gelenkinnenteils beabstandete Kontaktflächen zwischen dem Käfig und dem Gelenkaußenteil bzw. dem Gelenkinnenteil, wodurch sich bei Beugung des Gelenks ein entsprechend hohes Reibmoment einstellt. Durch die bei Drehung des Gelenks entstehende Reibleistung wird der Wirkungsgrad des Gelenks begrenzt. Zudem führt die Reibung zu einer Erwärmung.
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Aus der
DE 10 2004 018 777 A1 ist ein so genanntes Gegenbahngelenk bekannt, bei dem durch abwechselnde Öffnungswinkel an in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Kugellaufbahnpaaren an den Kugeln einander entgegengerichtete Axialkräfte erzeugt werden, die sich gegenseitig ausgleichen. Im Idealfall ist der Käfig hierdurch nach außen axialkraftfrei. Die an diesem angreifenden Axialkräfte der Kugeln heben sich gegeneinander auf.
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Ein Ausgleich der Axialkräfte der Kugeln kann auch bei so genannten VL-Gelenken erzielt werden, bei denen sich die einander gegenüberliegenden Kugellaufbahnen am Gelenkaußenteil und am Gelenkinnenteil kreuzen. Derartige Gelenke sind unter anderem aus der
DE 10 2004 062 843 A1 , der
DE 103 53 608 A1 , der
DE 38 18 730 C1 und der
DE 31 02 871 A1 bekannt. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um Festgelenke, sondern um Verschiebegelenke ohne festgelegtes Beugezentrum. Die geschrägten Kugellaufbahnen sind dementsprechend gerade ausgeführt. Üblicherweise werden VL-Gelenke auf der Differenzialseite eingesetzt und weisen einen maximalen Beugewinkel von 25° auf.
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Durch eine axiale Festlegung des Käfigs kann, wie in der
DE 10 2004 031 154 A1 der Volkswagen AG beschrieben, über sphärische Kontaktflächen ein Festgelenk mit gekreuzten Kugellaufbahnen erhalten werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuen Festgelenktyp zu schaffen, der sich vor allem im Hauptbetriebsbereich bei kleinen Beugewinkeln durch einen verbesserten Wirkungsgrad und geringe Reibungsverluste auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gleichlauffestgelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gleichlauffestgelenk umfasst ein Gelenkaußenteil mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, ein Gelenkinnenteil mit an seinem Außenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen, wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln, sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil angeordneten Käfig, der in Umfangsrichtung Fenster zur Aufnahme jeweils einer Kugel aufweist. Das erfindungsgemäße Gelenk zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Beugewinkelbereich des Gelenks von 0° bis X eine Steuerung des Gelenks allein durch gekreuzte Kugellaufbahnen bewirkt wird, und in einem zweiten Winkelbereich von X bis zum maximalen Beugewinkel des Gelenks durch einen Doppeloffset einer im wesentlichen kugelförmigen Außenfläche und einer im wesentlichen kugelförmigen Innenfläche des Käfigs bezogen auf das Beugezentrum des Gelenks eine Steuerung des Gelenks bewirkt wird, wobei X 5 bis 15° beträgt.
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Hierdurch ist es möglich, den wirkungsgradrelevanten Beugewinkelbereich eines Gleichlauffestgelenkes mit einem sehr reibleistungsarmen Steuerungssystem abzudecken. Bei großen Beugewinkeln ist der Wirkungsgrad des Gelenks hingegen von eher geringer Bedeutung, so dass für diesen Bereich ein anderes Steuerungssystem einsetzbar ist, selbst wenn dadurch der Wirkungsgrad in diesem Winkelbereich sinkt.
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Bei Beugewinkeln bis maximal etwa 15° arbeitet das Gelenk nach dem VL-Prinzip, das heißt die Lage der einzelnen Kugeln wird durch die Schnittpunkte der korrespondierenden Laufbahnen bestimmt. In diesem Arbeitsbereich kann sich das Gelenk zudem geringfügig axial verschieben. Eine solche Verschiebbarkeit ist zwar im Hinblick auf den Einbau an der Radseite einer Seitenwelle aus Funktionssicht nicht notwendig. Sie vermeidet allerdings eine parallele Steuerwirkung über den Doppeloffset des Käfigs. Durch den axialen Freiheitsgrad steigen die Lebensdauer und der Wirkungsgrad des Gelenks. Darüber hinaus können die betreffenden Flächen mit größeren Fertigungstoleranzen hergestellt werden, woraus eine Fertigungserleichterung resultiert.
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Die Verschiebbarkeit nimmt mit zunehmendem Beugewinkel ab. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass ein zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil bei einem Beugewinkel von 0° bestehendes Axialspiel mit zunehmendem Beugewinkel, vorzugsweise bei dem oben genannten Beugewinkel X, auf 0 abklingt, so dass im Bereich der Doppeloffsetsteuerung Spielfreiheit gewährleistet wird. Im ersten Winkelbereich von 0° bis X kommt das hier vorgeschlagene Gleichlauffestgelenk somit ohne die Nachteile einer Doppelpassung zwischen Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil aus, die für Festgelenke herkömmlicher Bauart in Kauf genommen werden müssen.
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Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Gleichlauffestgelenk gemäß Patentanspruch 3 gelöst. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil bei einem Beugewinkel von 0° ein Axialspiel besteht, das mit zunehmendem Beugewinkel auf 0 abnimmt. Dies gestattet beispielsweise den vorstehend beschriebenen Einsatz von zwei verschiedenen Steuersystemen an einem Gelenk sowie größere Fertigungstoleranzen. Dieses Prinzip kann auch auf andere Gelenktypen übertragen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Axialspiel bei einem Beugewinkel im Bereich von 5 bis 15° auf 0 abklingt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
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Vorzugsweise beträgt das Axialspiel bei 0° Beugewinkel maximal 5 % des Wälzkreisdurchmessers der Kugeln und liegt bei für Personenkraftfahrzeugen geeigneten Gelenken in der Größenordnung von maximal 0,1 bis 3 mm. Wie oben bereits ausgeführt, verschwindet dieses Spiel bei größeren Beugewinkeln.
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Das Gelenkinnenteil weist eine vorzugsweise im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche auf. Ferner weist der Käfig eine im Wesentlichen kugelförmige Innenfläche auf, die der im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche des Gelenkinnenteils radial gegenüberliegt. Dabei ist zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Käfig bei einem Beugewinkel von 0° ein Axialspiel vorgesehen ist, welches sich bei Beugung des Gelenks verringert.
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Dieses Axialspiel kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die im wesentlichen kugelförmige Außenfläche des Gelenkinnenteils mindestens einen kugelförmigen Abschnitt und mindestens einen gegenüber der Kugelform freigestellten Abschnitt aufweist, und die im wesentlichen kugelförmige Innenfläche des Käfigs mindestens einen kugelförmigen Abschnitt und mindestens einen gegenüber der Kugelform freigestellten Abschnitt aufweist. Die genannten Abschnitte sind dabei derart angeordnet, dass bei 0° Beugewinkel freigestellte Abschnitte kugelförmigen Abschnitten mit Spiel gegenüberliegen, bei größeren Beugewinkeln hingegen kugelförmige Abschnitte miteinander in Gleiteingriff stehen.
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Vorzugsweise weisen das Gelenkaußenteil einen im wesentlichen kugelförmigen Innenflächenabschnitt und der Käfig eine im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche auf. Zwischen diesen einander radial gegenüberliegenden Flächen ist ein Axialspiel vorgesehen, das beispielsweise durch einen zylindrischen Mittelabschnitt am Innenflächenabschnitt des Gelenkaußenteils realisiert werden kann. Der Käfig ist in diesem Fall mit seiner im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche an dem Mittelabschnitt geführt.
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Hierdurch muss sich die im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche des Käfigs im Gelenkaußenteil nicht in einer exakten Kugelfläche bewegen. Durch die Führung an einem zylindrischen Abschnitt werden zwischen dem Käfig und dem Gelenkaußenteil keine nennenswerten Axialkräfte übertragen. Dementsprechend ist die erzeugbare Reibleistung zwischen dem Käfig und dem Gelenkaußenteil im Vergleich zu UF-/RF-Gelenken geringer. Die gleichwohl im wesentlichen kugelförmige Gestaltung des Innenflächenabschnitts des Gelenkaußenteils ermöglicht vor allem bei gekrümmten Kugellaufbahnen eine große Umschlingung der Kugeln in den Laufbahnen bei großen Beugewinkeln und damit eine verbesserte Tragfähigkeit der Kugellaufbahnen, was für die Lebensdauer des Gelenks von Vorteil ist.
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Zur Bereitstellung eines Offsets am Käfig ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Krümmungsmittelpunkt der kugelförmigen Innenfläche des Käfigs gegenüber dem Gelenkbeugezentrum, um das der Käfig bei einer Beugung des Gelenks schwenkt, axial versetzt. Entsprechend kann auch der Krümmungsmittelpunkt der im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche des Käfigs gegenüber dem Gelenkbeugezentrum axial versetzt sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist der axiale Offset der Krümmungsmittelpunkte der im Wesentlichen kugelförmigen Innen- und Außenflächen des Käfigs vom Gelenkbeugezentrum betragsmäßig gleich groß. Vorzugsweise liegt das Gelenkbeugezentrum zwischen diesen Krümmungsmittelpunkten.
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Der axiale Offset beträgt vorzugsweise weniger als 5% des Wälzkreisdurchmessers der Kugeln am ungebeugten Gelenk. Bei in Personenkraftfahrzeugen üblicherweise eingesetzten Gelenken beträgt der axiale Offset maximal 4 mm, vorzugsweise weniger als 2,5 mm. Dieser axiale Offset ist im Vergleich zu Gelenken mit herkömmlicher Doppeloffsetsteuerung für den Kugelkäfig verhältnismäßig klein. Üblicherweise wird bei gleichem Drehmomentübertragungspotential ein Offset von mindesten 5 mm vorgesehen, um die Steuerung zu bewirken. Der vergleichsweise kleine axiale Offset ermöglicht noch verhältnismäßig gleichmäßige Wandstärken am Käfig, so dass sich dieser im Vergleich zu Käfigen für reine DO-Gelenke mit geringerem Aufwand herstellen lässt. Insbesondere bleiben die Umformgrade am Käfig geringer und die Herstellung der Käfigfenster einfacher.
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Die Steuerung des Gelenks erfolgt bei kleinen Beugewinkeln bevorzugt über mindestens drei Kugellaufbahnpaare, die jeweils durch eine geschrägte Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und eine umgekehrt geschrägte Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil gebildet werdend.
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Vorzugsweise sind an jedem Gelenkbauteil eine gleiche Anzahl rechts- und linksgeschrägter Kugellaufbahnen vorgesehen, so dass der Käfig zumindest bei kleinen Beugewinkeln im wesentlichen Axialkraft frei ist. Einzelne Kugellaufbahnpaare können auch ungeschrägt vorgesehen werden. Die Anzahl der Kugellaufbahnpaare bemisst sich nach den jeweiligen Gegebenheiten und kann beispielsweise vier, fünf, sechs, sieben, acht oder neun betragen.
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Bevorzugte Schrägungswinkel liegen im Hinblick auf den ersten Winkelbereich in der Größenordnung von 6° bis 12°.
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Bei herkömmlichen VL-Gelenken sind üblicherweise gerade Kugellaufbahnen vorgesehen. In vorteilhafter Ausgestaltung kommen hier jedoch zumindest teilweise gekrümmte Kugellaufbahnen zum Einsatz.
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Bevorzugt weisen die gekrümmten Laufbahnabschnitte des Gelenkinnenteils und des Gelenkaußenteils bezogen auf eine Mittelstellung des Gelenks einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt auf. Infolge des Axialspiels können sich bei kleinen Beugewinkeln zunächst geringfügige Abweichungen ergeben, die jedoch bei Aufhebung des Axialspiels zu 0 werden. Ein Laufbahnoffset, das heißt auseinander fallende Krümmungsmittelpunkte, wie er bei UF-, RF- oder RO-Gelenken vorgesehen wird, unterbleibt.
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Im Hinblick auf die Verwendung unterschiedlicher Steuersysteme kann ferner vorgesehen werden, dass sich die gekrümmten Laufbahnabschnitte über einen Winkelbereich erstrecken, in dem das Axialspiels bzw. ein axialer Verschiebeweg auf 0 abklingt. Außerhalb dieses ersten Winkelbereichs sind die gekrümmten Laufbahnabschnitte schwächer gekrümmt oder abgeflacht. Beispielsweise können an die gekrümmten Laufbahnabschnitte außerhalb des Winkelbereichs, in dem der axialer Verschiebeweg auf 0 abklingt, tangential gerade Laufbahnabschnitte anschließen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Längsschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels für ein Gleichlauffestgelenk nach der Erfindung im ungebeugten Zustand,
- 2 eine schematische Darstellung gekreuzter Kugellaufbahnebenen,
- 3 eine weitere Längsschnittansicht des Gelenks aus 1 mit in die Zeichnungsebene projizierten Kugellaufbahnen,
- 4 eine Darstellung entsprechend 1 mit einer maximalen axialen Verschiebung zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Gelenkaußenteil in einer ersten Extremstellung (links),
- 5 eine Darstellung entsprechend 1 mit einer maximalen axialen Verschiebung zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Gelenkaußenteil in einer zweiten Extremstellung (rechts)
- 6 eine Längsschnittansicht des Gelenks nach 1 bei einem Beugewinkel von 10° und gerade aufgehobenem Axialspiel,
- 7 eine Längsschnittansicht des Gelenks nach 1 bei einem maximalen Beugewinkel von 48°,
- 8 eine Detailansicht im Wesentlichen kugelförmiger Flächen am Gelenkinnenteil, Gelenkaußenteil und Käfig, wobei die Abweichungen von einer Kugelform zum Zweck der Veranschaulichung überproportional dargestellt sind, und in
- 9 eine Ansicht entsprechend 8 bei 10° Beugewinkel.
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Das in den 1 bis 9 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Gleichlauffestgelenk 1 mit einem Gelenkaußenteil 2 und einem Gelenkinnenteil 3. Dabei ist das als Nabe mit Innenverzahnung ausgeführte Gelenkinnenteil 3 in dem glockenförmigen Gelenkaußenteil 2 angeordnet. An einander gegenüberliegenden im wesentlichen kugelförmigen Innen- und Außenflächen 4 und 5 des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 sind jeweils eine Vielzahl von Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 ausgebildet, die einander gegenüberliegende Kugellaufbahnpaare bilden. Zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 ist weiterhin ein Käfig 9 angeordnet, der an seinem Umfang eine Vielzahl von Fenstern 10 aufweist. In diesen Fenstern 10 ist jeweils eine Kugel 11 angeordnet, die in einem Kugellaufbahnpaar gehalten ist, um ein Drehmoment zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 zu übertragen.
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Die Kugellaufbahnen 7 und 8 mindestens eines Kugellaufbahnpaares sind zur jeweiligen Längsmittelachse A bzw. B des betreffenden Gelenkbauteils 2 bzw. 3 geschrägt, so dass sich diese kreuzen, wie dies in 2 angedeutet ist. Über die Kugeln 11 in den gekreuzten Kugellaufbahnpaaren 7 und 8 wird der Käfig 9 bei einer Beugung des Gelenks in einem ersten Winkelbereich bei kleinen Beugewinkeln α in eine Halbwinkelebene zwischen den dann zueinander angewinkelten Längsachsen A und B des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 gesteuert.
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Der Schrägungswinkel δ liegt hier in der Größenordnung von 6 bis 12° bezogen auf die jeweilige Längsmittelachse A bzw. B. Vorzugsweise weisen die Kugellaufbahnen 7 und 8 eines Kugellaufbahnpaares betragsmäßig gleiche Schrägungswinkel δ auf. Die Aufeinanderfolge unterschiedlich ausgerichteter Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 kann prinzipiell frei gewählt werden. Allerdings lassen sich durch besondere Anordnungsmuster das Drehmomentübertragungspotenzial des Gelenks weiter verbessern sowie die verbleibenden Beugemomente um die Gelenkachsen positiv beeinflussen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kugellaufbahnen 7 am Gelenkaußenteil 2 jeweils abwechselnd nach links und rechts geschrägt. Die zugehörigen Kugellaufbahnen 8 am Gelenkinnenteil 3 sind dementsprechend umgekehrt jeweils abwechselnd nach rechts und links geschrägt. Es können jedoch auch einzelne ungeschrägte Kugellaufbahnpaare vorgesehen werden.
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Vorzugsweise ist die Anzahl rechts- und linksgeschrägter Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 an jedem Gelenkbauteil 2 bzw. 3 gleich groß. Bei entsprechender Wahl des Schrägungswinkels δ, der zwischen einzelnen Laufbahnpaaren auch variieren kann, können so die auf den Käfig 9 einwirkenden Axialkräfte gegeneinander ausgeglichen werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Steuerung des Gelenks in einem ersten Beugewinkelbereich von 0° bis 10° allein durch die gekreuzten Kugellaufbahnpaare bewirkt wird. In einem zweiten Winkelbereich von 10° bis zum maximalen Beugewinkel des Gelenks, der vorliegend bei etwa 48° liegt, erfolgt die Steuerung zusätzlich über einen unten näher erläuterten Doppeloffset am Käfig 9. Zur Vermeidung einer „Doppelsteuerung“ ist vorgesehen, dass zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 bei einem Beugewinkel von 0° ein Axialspiel in Form eines axialen Verschiebewegs besteht, das mit Ende des ersten Beugewinkelbereichs, das heißt hier bei etwa 10° auf 0 abklingt. Der Übergang vom ersten Winkelbereich zum zweiten Winkelbereich ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei 10° Beugewinkel angenommen. Je nach Bedarf kann dieser jedoch im Bereich zwischen 5 und 15° Beugewinkel gewählt werden.
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Bei Beugewinkeln bis ca. 10° arbeitet das Gelenk somit nach dem VL-Prinzip, wonach sich die Lage der einzelnen Kugeln 11 durch die Schnittpunkte der korrespondierenden Laufbahnen 7 und 8 bestimmt. In diesem Arbeitsbereich kann sich das Gelenk geringfügig axial verschieben, wie dies in den 5 und 6 anhand von zwei entgegengesetzten Extremstellungen dargestellt ist. 5 zeigt das Gelenkinnenteil 3 in einem axial maximal in das Gelenkaußenteil 2 hineingeschobenen Zustand, während 6 die umgekehrte Extremposition mit maximal zur Öffnungsseite verschobenem Gelenkinnenteil 3 zeigt.
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Die Verschiebbarkeit nimmt mit zunehmendem Beugewinkel ab. Im ausgeführten Beispiel beträgt der maximale Verschiebeweg bei 0° Beugewinkel ca. 2,5 mm und nimmt mit wachsendem Beugewinkel ab, bis bei Einsetzen der Doppeloffsetsteuerung des Käfigs 9, d.h. hier bei ca. 10° Beugewinkel, keine axiale Bewegung mehr möglich ist. Die Steuerung des Axialspiels in Abhängigkeit des Beugewinkels übernehmen die korrespondieren Flächen am Gelenkinnenteil 3 und am Käfig 9.
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Eine Möglichkeit zur Erzeugung eines variablen Axialspiels ist in den 8 und 9 dargestellt. Hierzu ist die im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche 5 des Gelenkinnenteils 3 mit einem zentralen kugelförmigen Abschnitt 51 und zwei seitlich benachbarten und gegenüber der Kugelform freigestellten Abschnitten 52 ausgebildet. An einer korrespondierenden, im Wesentlichen kugelförmigen Innenfläche 13 des Käfigs 9 sind zwei seitliche kugelförmige Abschnitt 131 und ein zentraler, gegenüber der Kugelform freigestellter Abschnitt 132 vorgesehen. Dabei sind die genannten Abschnitte derart angeordnet, dass bei 0° Beugewinkel, wie in 8 gezeigt, freigestellte Abschnitte 52 und 132 kugelförmigen Abschnitten 131 bzw. 51 mit Axial- und Radialspiel gegenüberliegen, bei größeren Beugewinkeln, wie in 9 gezeigt, hingegen kugelförmige Abschnitte 131 bzw. 51 am Gelenkinnenteil 3 und Käfig 9 miteinander in Gleiteingriff stehen. Die Abweichung der freigestellten Abschnitte 52 und 132 von der Kugelform ist hier überproportional dargestellt. Selbstverständlich kann die Anordnung der kugelförmigen und freigestellten Abschnitte am Gelenkinnenteil 3 und Käfig 9 auch umgekehrt werden. Auch andere Anordnungsstrukturen, welche ein mit zunehmendem Beugewinkel abnehmendes Axialspiel ermöglichen, sind vorliegend einsetzbar.
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Um das Entstehen freier Axialkräfte am Käfig im ersten Winkelbereich zu vermeiden, sind die Kugellaufbahnen 7 und 8 mit einem in diesem Bereich wirksam gekrümmten Laufbahnabschnitt 71 bzw. 81 ausgebildet. Der Verlauf der Kugellaufbahnen 7 und 8 innerhalb der jeweils zur Längsmittelachse A bzw. B geschrägten Laufbahnebenen ist in 3 anhand der Laufbahnmittellinien angedeutet, wobei die Laufbahnebenen in die Zeichnungsebene projiziert sind. Wie 3 zeigt, besitzen die gekrümmten Laufbahnabschnitt 71 bzw. 81 bezogen auf eine Gelenkmittelstellung einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt M.
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An die gekrümmten Laufbahnabschnitt 71 bzw. 81 schließen sich in beiden Richtungen tangential schwächer gekrümmte oder gerade Laufbahnabschnitte 72 bzw. 82 an. Diese Laufbahnabschnitte 72 bzw. 82 liegen vorzugsweise außerhalb des ersten Winkelbereichs, in dem das Axialspiel des Gelenks auf 0 abklingt. Sobald die Kugeln 11 in diese Bereiche gelangen, erzeugen sie nicht mehr ausgeglichene Axialkräfte auf den Käfig 9. Diese müssen dann zwischen dem Käfig 9 und dem Gelenkinnenteil 3 abgestützt werden. Durch diese Kräfte entstehen Reibmomente, die den Wirkungsgrad des Gelenkes reduzieren. Deshalb sind die Radien der Kugellaufbahnen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass erst bei Beugewinkeln oberhalb etwa 10° freie Axialkräfte entstehen und der Wirkungsgrad schlechter wird. Dieser Beugewinkelbereich wird im Fahrzeug jedoch nur selten erreicht, beispielsweise bei sehr engen Kurven oder beim Parkieren, so dass der dann schlechter werdende Wirkungsgrad ohne große Bedeutung ist.
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Die Steuerung der Kugeln 11 in die winkelhalbierende Ebene des Gelenks funktioniert mit dem Prinzip der sich kreuzenden Laufbahnen nur bis zu einem Grenzbeugewinkel, der vom Schrägungswinkel der Kugellaufbahnen 7 und 8 abhängig ist: Je größer der Schrägungswinkel der Kugellaufbahnen 7 und 8 ist, desto größer ist der damit erreichbare Beugewinkel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Schrägungswinkel 9°, so dass bis ca. 10° bis 14° Gelenk-Beugewinkel dieses System die Steuerung der Kugeln 11 in die winkelhalbierende Ebene übernehmen kann. Bei weiter steigenden Beugewinkeln versagt dieses Steuerungssystem, da dann einzelne Kugellaufbahnpaare in die Nähe der Parallelität gelangen, so dass kein eindeutiger Schnittpunkt zwischen den Laufbahnmittellinien des Gelenkinnenteils 3 und des Gelenkaußenteils 2 mehr vorliegt.
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Bei größeren Beugewinkeln, das heißt im zweiten Winkelbereich, kommt ein zweites Steuerungssystem zum Einsatz, das nach dem Doppel-Offset-Prinzip den Kugelkäfig 9 steuert, wie dies in 7 angedeutet ist.
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Hierbei ist der Käfig 9 über eine im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche 12, die gegenüber der Gelenk- und Käfigmittelebene K in Axialrichtung versetzt ist, im Gelenkaußenteil 2 geführt. Mit einer um den gleichen Betrag zur Käfigmittelebene in entgegengesetzter Axialrichtung versetzten, im Wesentlichen kugelförmigen Innenfläche 13 bewegt sich der Käfig 9 auf dem Gelenkinnenteil 2. Für dieses Steuerungssystem sollte kein axiales Spiel zwischen dem Käfig 9 und dem Gelenkinnenteil 3 mehr vorhanden sein, da sonst der Betrag des Offsets zwischen dem Gelenkinnenteil 3 und dem Käfig 9 variabel wäre. Über die korrespondierenden Flächen ist sichergestellt, dass oberhalb von 10° Beugewinkel das axiale Spiel aufgehoben wird.
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Wie die 2 und 7 zeigen, liegt die im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche 5 Gelenkinnenteils 3 der im Wesentlichen kugelförmigen Innenfläche 13 des Käfigs 9 radial gegenüber. Der Krümmungsmittelpunkt MKI der kugelförmigen Innenfläche 13 des Käfigs 9 ist gegenüber dem Gelenkbeugezentrum Z, um das der Käfig 9 bei einer Beugung des Gelenks schwenkt, axial um den Offset OMKI versetzt. Zwischen dem Gelenkinnenteil 3 und dem Käfig 9 ist bei einem Beugewinkel von 0° ein Spiel vorgesehen ist, welches sich bei Beugung des Gelenks auf 0 verringert. 6 zeigt bei 10° Beugewinkel entsprechende lokale Anlagebereiche 5a/13a zwischen den im Wesentlichen kugelförmigen Flächen 5 und 13 sowie durch einen kleinen Spalt voneinander beabstandete Abschnitte 5b/13b an denselben.
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Das Gelenkaußenteil 2 liegt mit einem im Wesentlichen kugelförmigen Innenflächenabschnitt 4 der im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche 12 des Käfigs 9 radial gegenüber. Dabei ist der Krümmungsmittelpunkt MKA der im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche 12 des Käfigs 9 gegenüber dem Gelenkbeugezentrum Z zur anderen Seite versetzt, wobei der Offset OMKA betragsmäßig dem Offset OMKI entspricht.
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Zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Käfig 9 ist ein kleines Axialspiel vorgesehen, das insbesondere in den 8 und 9 zu erkennen ist. Dazu bildet der im Wesentlichen kugelförmige Innenflächenabschnitt 4 einen zylindrischen Mittelabschnitt 15 aus, an dem der Käfig 9 mit seiner im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche 12 geführt ist. Da sich die im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche 12 des Käfigs 9 im Gelenkaußenteil 2 nicht in einer Kugelfläche bewegen muss, sondern in einer Zylinderfläche geführt ist, können zwischen dem Käfig 9 und dem Gelenkaußenteil 2 keine nennenswerten Axialkräfte übertragen werden.
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Dementsprechend ist bei diesem Gelenktyp im Vergleich zu UF-/RF-Gelenken die erzeugbare Reibleistung zwischen dem Käfig 9 und dem Gelenkaußenteil 2 kleiner. Weiterhin können die Innendrehkontur des Gelenkaußenteils 2 und die Außenfläche 12 des Käfigs 9 mit deutlich größeren Toleranzen als bei herkömmlichen Festgelenken gefertigt werden.
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Die kugelförmige Ausgestaltung des Innenflächenabschnitts 4 der Gelenkaußenteils 2 dient hier vorwiegend dazu, im Hinblick auf die Krümmung der Kugellaufbahnen 7 einen großen Umschlingungswinkel an den Kugeln 11 bei großen Beugewinkeln zu gewährleisten.
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Der Offset OMKA bzw. OMKI ist jedoch wesentlich kleiner als an herkömmlichen DO-Gelenken. Im vorliegenden Beispiel beträgt dieser Offest etwa 2mm und damit deutlich weniger als 5% des Wälzkreisdurchmessers der Kugeln am ungebeugten Gelenk. Bei einem Gelenk herkömmlicher Bauweise würde dieser bei vergleichbarer Gelenkgröße mindestens doppelt so groß sein. Käfige mit herkömmlichen DO-Steuerungsflächen haben den Nachteil, dass die Materialstärke entlang der Rotationsachse nicht gleichmäßig ist. Der Käfig weist sozusagen eine dicke und eine dünne Seite auf. Dies bringt fertigungstechnische Probleme mit sich. Zum einen ist der Käfig schlechter umformtechnisch herstellbar, da während des Umformprozesses mittels Rollwalzen eine Kraft in Richtung der Käfigachse entsteht und die Umformgrade relativ hoch und ungleichmäßig werden. Zum anderen ist es schwierig, die Fenster zu stanzen, da beim Stanzen unterschiedliche Kräfte an den Schneiden eines Stanzwerkzeugs angreifen. Der Effekt der ungleichförmigen Wandstärke wird umso stärker, je größer der Offset OMKA bzw. OMKI ist. Im vorliegenden Beispiel ist der axiale Offset mit je 2mm sehr klein, so dass der Käfig 9 noch einigermaßen gleichmäßige Wandstärken besitzt. Möglich wird die Verwendung des kleineren Offsets dadurch, dass dieses Steuerungssystem erst bei Winkel größer 10 Grad funktionieren muss.
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Das vorstehend erläuterte Gelenk vereint somit in vorteilhafter Weise zwei verschiedene Steuersysteme, die bei kleinen Beugewinkeln voneinander entkoppelt sind. Dies gestattet es, den wirkungsgradrelevanten Beugewinkelbereich eines Gleichlauffestgelenks mit einem reibleistungsarmen Steuerungssystem abzudecken. Bei kleinen Beugewinkeln bis etwa 10° bis 15° kommt das hier vorgeschlagene System aufgrund der geringfügigen axialen Verschiebbarkeit ohne die Nachteile einer Doppelpassung zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Gelenkaußenteil aus.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleichlauffestgelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- Gelenkinnenteil
- 4
- im Wesentlichen kugelförmiger Innenflächenabschnitt des Gelenkaußenteils
- 5
- im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche des Gelenkinnenteils
- 51
- kugelförmiger Abschnitt
- 52
- freigestellter Abschnitt
- 7
- Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
- 71
- gekrümmter Laufbahnabschnitt
- 72
- abgeflachter Laufbahnabschnitt
- 8
- Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil
- 81
- gekrümmter Laufbahnabschnitt
- 82
- abgeflachter Laufbahnabschnitt
- 9
- Käfig
- 10
- Fenster
- 11
- Kugel
- 12
- im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche des Käfigs
- 13
- im Wesentlichen kugelförmige Innenfläche des Käfigs
- 131
- kugelförmiger Abschnitt
- 132
- freigestellter Abschnitt
- 15
- zylindrischer Mittelabschnitt
- A
- Längsmittelachse des Gelenkaußenteils
- B
- Längsmittelachse des Gelenkinnenteils
- K
- Käfig- und Gelenkmittelebene
- M
- Krümmungsmittelpunkt der gekrümmten Laufbahnabschnitte 71 und 81
- MKA
- Krümmungsmittelpunkt der Käfigaußenfläche
- MKI
- Krümmungsmittelpunkt der Käfiginnenfläche
- OMKA
- Offset des Krümmungsmittelpunkts der Käfigaußenfläche
- OMKI
- Offset des Krümmungsmittelpunkts der Käfigsinnenfläche
- Z
- Gelenkbeugezentrum
- α
- Beugewinkel
- δ
- Schrägungswinkel