DE102009029969A1

DE102009029969A1 - Homokinetisches Universalgelenk

Info

Publication number: DE102009029969A1
Application number: DE102009029969A
Authority: DE
Inventors: Uwe Landsperger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Homokinetische Universalgelenke werden in der Regel durch Bendix-, Rzeppa- oder Birfield-Gelenke realisiert. Diese sind sehr aufwendig mit vielen Bauteilen aufgebaut. Eine dauernde Schmierung zum Funktionserhalt muss sichergestellt sein. Im Bereich der Werkzeugtechnik werden homokinetische Gelenke durch facettierte kugelgelenkartige Verbindungen mit einem kugelförmigen Teil mit mehrfach symmetrisch facettierten Seitenflächen, welche jedoch einen Flächenspalt und ein Spiel zwischen Wellenelement und der umgebenden Hülse benötigen und somit allesamt für schnelllaufende, schwingungs- und spielfreie Antriebe oder Einsatzzwecke mit großen unbeschränkten Beugewinkeln nicht geeignet sind. Das homokinetische Universalgelenk setzt sich als äußerer Teil aus einem zylindrischen Hülsenelement (1) und einem Wellenelement (2) an dessen Ende Facetten (3) rund um die Drehachse angeordnet sind. Um diese Fläche der Welle werden Gleitscheiben (4, 5, 6, 7) mit einem konkaven, bündig anliegendem Aufnahmebereich im Durchmesser der Facetten des Wellenelementes zur Aufnahme des Wellenelementes angebracht. Die Gleitscheiben übertragen die Drehbewegung des Wellenelementes an die Aussparungen oder Seitenflächen des umgebenden und bündig anliegende zylindrische Hülsenelement. Es kann über die gesamte Berührungsfläche zwischen Wellenelement, Gleitscheiben und Hülsenelement Drehmoment übertragen und hohe Flächenpressung somit vermieden werden. Das homokinetische Universalgelenk eignet sich zur ...

Description

Die Erfindung betrifft ein homokinetisches Universalgelenk mit axialem Längenausgleich und einfacher Dämpfungsmöglichkeit von Schwingungseinflüssen, welches zur Kraftübertragung im Bereich der Antriebs- und Lenkungstechnik eingesetzt werden kann.
Homokinetische Universalgelenke werden in der Regel durch Bendix-, Rzeppa- oder Birfield-Gelenke realisiert. Diese sind sehr aufwendig mit einer vielen Bauteilen aufgebaut, daher teuer und schwer. Eine dauernde Schmierung muss auch noch sichergestellt sein da die punktförmige Belastung durch die Kraftübertragung mittels Kugeln zu Pittingbildung führen kann. Im fortgeschrittenen Stadium erfolgen dadurch Materialausbrüche aus der Kugellaufbahnen oder den Übertragungselementen, was zum Versagen der kompletten Baugruppe führt. Man versucht dies durch einen hohen Aufwand zur Abdichtung derartiger Gelenke zu verhindern. Ein axialer erforderlicher Längenausgleich weicher im Fahrzeugbau oder grundsätzlich bei Längenänderungen der Anbindungspunkte von Gelenkwellen während der Drehbewegung wird in der Regel über Tripode-Gleichlauf-Verschiebegelenke oder Kugel-Gleichlauf-Verschiebegelenke realisiert welche die gleichen Nachteile wie oben beschrieben aufweisen.
Im Bereich der Lenkungstechnik werden zum Ausgleich des Kardanfehlers Doppelkreuzgelenke verwendet welche teuer in der Herstellung sind. Nachteilig ist zudem, dass jedes Paar der Gelenkzapfen die gesamte durch die Gelenkverbindung zu übertragende Belastung zu tragen hat und ein Längenausgleich eine Verschiebbares Wellenrohr als zusätzliches Element erfordert. Im Bereich der Lenkungstechnik werden zusätzlich zu den Gelenken Crashelemente wie Wellensicken eingebracht oder aufwendig gestaltete Verschiebe- bzw. Längenausgleichselemente in die Gelenkwellen eingebracht um beim Verstellen oder im Falle eines Unfalls ein Zusammenschieben des Systems in axiale Richtung zu ermöglichen. Außerdem müssen hinsichtlich des Korrosionsschutzes nicht unerhebliche Aufwendungen getätigt werden um die Gelenkzapfen sowie spanend bearbeitete oder geprägte Flächen zu schützen. Die oben beschriebenen Kugelgelenk- sowie Kreuzgelenkverbindungen benötigen auch einen relativ großen Bauraum was zu konstruktiven Einschränkungen führt.
Zur Reduzierung von Schwingungen und zusätzlichem Torsionsausgleich wird oft noch eine Gelenkscheibe nach dem Hardy-Prinzip verwendet, welche einen großen Bauraum besitzt sowie hohe Aufwendungen in der Herstellung und Anbindung verursachen.
Im Bereich der Werkzeugtechnik werden Homokinetische Gelenke durch facettierte kugelgelenkartige Verbindungen wie z. B. in AT Patentschrift 354195 realisiert oder wie in DE Patent 2057851 beschrieben durch aufwendige Teilegeometrie mit entsprechend aufwendigem Herstellverfahren sowie eingeschränktem Beugewinkel oder wie in DE Patentschrift 2926436 durch einen kugelförmigen Teil mit vier oder mehrfach symmetrischen Seitenflächen welche jedoch einen Flächenspalt und ein Spiel zwischen kugelförmigem Wellenelement und der umgebenden Hülse besitzen und somit allesamt für schnelllaufende, schwingungs-, und spielfreie Antriebe oder Einsatzzwecke mit großen unbeschränkten Beugewinkeln nicht geeignet sind. Durch abweichende Durchmesser von Facettenteil und aufnehmendem Kugelteil besteht auch bei diesen Varianten ein nur geringfügiger Anteil tragender Fläche und zudem ermöglich der dadurch entstandene Spalt das Eindringen von Fremdkörpern welche die Lebensdauer einer solchen Verbindung schnell reduzieren.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine homokinetische Gelenkwellenverbindung mit optionalem axialem Längenausgleich zu schaffen, welche bei maximierten Kraftübertragungsflächen hohe Flächenpressungen bei der Übertragung von Drehmomenten vermeidet, einen kleinen Bauraum und wenig Bauteile benötigt sowie geringe bewegte Massen besitzt, einfach Schwingungseinflüsse reduzieren kann, unempfindlich gegen Stöße, robust, spielfrei und wartungsfrei arbeitet, sich günstig herstellen lässt und unempfindlich gegen Verschmutzung und Korrosion ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgende beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch das homokinetische Gelenk mit koaxialer Stellung von Hülsen- (2) und Wellenelement (1) sowie den Gleitscheiben (3) und einem Dämpfungselement (4) in welches ein weiteres Hülsenelement (5) eingebracht ist.
2 einen Längsschnitt durch das Homokinetische Gelenk mit koaxialer Stellung der Wellenelementes (7) im Hülsenelement (8) sowie in geneigter Stellung des Wellenelementes (7a) im Hülsenelement (8a) wobei die Gleitscheiben (6 und 6a) stets in bündigem Kontakt zu Wellenelement (7/7a) und Hülsenelement (8 und 8a) bleiben
2a die stirnseitige Ansicht von Wellenelement (7), der Gleitscheiben (6) und Hülsenelement (8)
2b den Querschnitt einer Gleitscheibe (9) mit Aussenradius in Anpassung an Kugeldurchmesser der Facette des Wellenelementes (9a) in der Draufsicht
3 den stirnseitigen Ansicht von einem Hülsenelement (10) mit gerundeten Kanten welches ein Verschieben quer zur Wellenachse der Gleitscheiben (11a, 11b, 11c, 11d) auf dem Wellenelement (12) verhindern
4 eine Gleitscheibe mit Nut für Schweissnahtüberstände in einem geschweissten Hülsenelement
5 eine Gleitscheibe in Schnittdarstellung mit Einlagen für Kontakt mit Hülsenelement (14) und Wellenelement (15) sowie eine Schnittdarstellung mit direkt in das Trägerelement der Gleitscheibe eingespritzte Gleitelemente (14a)
6 ein Wellenelement in koaxialer Lage (16) zum Hülsenelement, in gebeugter Lage (17) sowie in koaxialer Lage jedoch axial im Hülsenelement verschoben (18) sowie in gebeugter Lage axial im Hülsenelement verschoben (19).
7 die perspektivische Seitenansicht eines Wellenelementes in einem Hülsenelement mit geöffneter Seitenwand
8 die perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Universalgelenkes
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, das eine allseitiges homokinetisch arbeitendes Universalgelenk geschaffen wurde, welches in jeder Beugestellung durch großflächige Berührflächen zur formschlüssigen Kraftübertragung zwischen allen bewegten Teilen ein Maximum an Kraftübertragung, Unempfindlichkeit bei Stößen und minimiertem Verschleiss sowie die spielfreie Realisierung einer solchen Verbindung ermöglicht. Die konstruktionsbedingt geringere Möglichkeit von Fremdkörpereinflüssen erhöht die Lebensdauer unter widrigen Einsatzbedingungen. Die einfache aber wirkungsvolle Geometrie der Teile stellt eine kostengünstige Fertigung einer solchen Gelenkverbindung sicher. Die geringe Anzahl an Bauteilen sowie die geringe Baugröße reduziert das Bauteilgewicht und Unwuchten während der Anwendung bei hohen Drehzahlen. Im Falle einer Reparatur der geschaffenen Gelenkwellenverbindung können einfach nur die Gleitelemente mit wenigen Handgriffen ersetzt werden wodurch absolute Wartungsfreundlichkeit hergestellt wird. Die Erfindung ermöglicht zudem noch Gelenkwellenverbindungen mit großen Beugewinkeln ohne Einschränkungen auf bestimmte Beugebereiche.
Das abgebildete Funktionsbeispiel (2) zeigt ein homokinetisches Universalgelenk. Es setzt sich im wesentlichen als äußerer Teil aus einem zylindrischen Mehrkant-Rohr (8), in den dargestellten Beispielen aus einem Vierkantrohr welches im weiteren Verlauf als Hülsenelement bezeichnet wird sowie im einem Wellenelement (7) an dessen Ende kugelförmige Facetten (7a), welche in diesem Beispiel aus stirnseitiger Sicht eine Quaderform bilden (7) und rund um die Drehachse angeordnet sind. Es können auch aus stirnseitiger Sicht hier nicht dargestellt ballige oder sternförmige Facetten angewendet sowie abgesetzte oder in Aussen- und Innenkontur abweichende Elemente verwendet werden. Um diese Fläche der Welle werden in diesem Beispiel jeweils 4 Gleitscheiben (6) mit einem konkaven und bündig anliegendem Aufnahmebereich im Durchmesser der Wellenenden angebracht welche vorteilhaft wie Abschnitte einer Lagerschale gestaltet sind. Diese schalenförmigen Ausnehmungen dienen der Aufnahme der aus seitlicher Sicht kugelförmig gestalteten Wellenenden und übertragen die Drehbewegung des Wellenelementes (7) an die Aussparungen oder Seitenflächen des umgebende zylindrischen Hülsenelementes (8). Besonders vorteilhaft kann in jeglichem Beugewinkel über die gesamte und große Berührungsfläche zwischen Wellenelement (7), Gleitscheiben (6) und Hülsenelement (8) Drehmoment übertragen werden und hohe Flächenpressungen oder Punktbelastungen wie sie bei Gleichlaufgelenken mit Kugeln zur Kraftübertragung entstehen vermieden werden. Die Gleitscheiben (6) bestehen aus einem Gleitlagerwerkstoff, bevorzugt aus selbstschmierendem hochtemperaturbeständigem Kunststoff oder aus einem Metall-Polymer Verbund oder sind aus einem metallischen Grundkörper mit Einlegeteilen (14, 15) aus einem anderen Gleitwerkstoff je nach Belastungsfall aufgebaut. Der Gleitlagerwerkstoff kann auch per Spritzgussverfahren direkt in ein Trägerelement aus Metall eingespritzt werden. In diesem Fall kann durch einen Verbindungskanal (14a) in der Gleitscheibenober- und Unterseite eine sichere Fixierung der Gleitelemente erfolgen. Durch Verbau des Systems mit minimalstem Übermaß des Wellenelementes, was zu einer Art Presssitz führen würde, wird absolute Spielfreiheit des Systems gewährleistet. Durch zusätzlich in die Gleitscheiben eingebrachte Federelemente wie z. B. Tellerfedern oder federnd gestaltete Ausnehmungen kann z. B. bei der Verwendung von Scheiben aus Kunststoff eine zusätzliche Vorspannung des Systems zur Eliminierung eines Verdrehspieles bei eventuellem Verschleiss gesorgt werden. Die Gleitscheiben (9) sind wie in 2b dargestellt vorteilhaft im Randbereich mit einem Radius vergleichbar des Kugelelementes (9a) versehen beziehungsweise haben vorteilhaft im Auflagebereich die gleiche Grundfläche um die Übertragungsfläche zwischen Wellenelement und Hülsenelement zu maximieren. Da die Verbindung Hülsenelement (8) zu Gleitscheiben (6) und Gleitscheiben (6) zu Kugelelement (7a) des Wellenelementes (7) keinen Freispalt aufweist wird ein Eindringen von Fremdkörpern weitgehend verhindert und durch die Auswahl selbstschmierender Werkstoffe somit absolute Wartungsfreiheit und Verschleißschutz über die Lebensdauer der Gelenke gewährleistet. Zudem könnten im Falle einer Abnutzung relativ einfach die Gleitscheiben ausgetauscht werden wodurch wie bei herkömmlichen Systemen die teure Reparatur oder Komplettersatz der Gelenkwelleneinheit erspart bleibt.
Die Einleitung einer Drehbewegung an einem Ende der Anordnung führt bei gebeugter Stellung von Wellen und Hülsenelement zwangsläufig zu einer winkelversetzten Fortführung der Drehbewegung im selben Drehsinn über die von den Gleitscheiben verbundene Anordnung.
Die Gleitscheiben besitzen im gezeigten Beispiel einen Flachen Boden (9) zum Hülsenelement welches bei Verwendung von geschweissten Rohren auch z. B. mittige Ausnehmungen (13) für eine mittig angeordnete Schweissnaht des Rohres besitzen kann und ermöglicht für diese Fälle somit eine Schwenkbewegung mit konstanten Beugekräften des Systems im Rohr bzw. Hülsenelement sowie ein axiales Verschieben von Welle und Rohr miteinander. Bei axialer Begrenzung der Verbindung ist auch eine hier nicht dargestellte leichte Kugelform des Gleitscheibenbodens sowie ein ebenso geformter Aufnahmebereich im Hülsenelement möglich. Das Wellenelement (7) ist innerhalb der Gleitscheiben (6) schwenkbar gelagert wobei im Beispiel eines quadratischen Hülsenelementes die um jeweils 90 Grad versetzt auf dem nächsten facettiertem Wellenende sitzenden Scheiben dadurch innerhalb des Rohres axial verdreht werden (7, 7a), was somit einen homokinetischen Bewegungsablauf ermöglicht.
Die axiale Begrenzung des Wellenelementes im Hülsenelement erfolgt hier nicht dargestellt durch Einprägungen in der Fortführung des Hülsenelementes einerseits sowie durch Umbördelungen oder Einprägungen im Randbereich des Hülsenelementes andererseits. Durch selbstsichernde Klemmringe in Form des Hülsenelementes kann ebenfalls nicht dargestellt eine vorteilhafte Fixierung in axiale Richtung erfolgen.
Wird die axiale Bewegungsrichtung des Wellenelementes im Hülsenelement nicht begrenzt, so wird dadurch ein axialer Längeausgleich wie in 6 dargestellt ermöglicht. Um ein radiales Verschieben der Gleitscheiben auf dem Wellenelement zu verhindern kann das aufnehmende Hülsenelement in einer nicht gezeigten Ausführung doppelkreuzförmig gestaltet sein oder die Gleitscheiben mit ebenfalls nicht dargestellten mittigen Führungsrillen in Richtung der Wellenachse versehen werden in welche ein gegenläufig geformtes Führungsteil der Gleitscheibe ragt. Ebenso können die Gleitscheiben in einer ebenfalls nicht gezeigten Variante paarweise bis zum Rohrende geführt werden wobei die um jeweils 90° versetzten Elemente dann nur bis zu diesen Gleitscheiben geführt werden. Eine geringfügige Wölbung des facettierten Kugelelementes quer zur Längsachse der Welle ebenfalls in den Darstellungen nicht dargestellt hat ebenfalls einen selbstzentrierenden Effekt auf die Gleitscheiben. Ein entsprechend angepasster Innenradius im Eckbereich (10) des Hülsenelementes wie in 3 dargestellt hat eine zentrierende Wirkung auf die Gleitscheibe und ein Verschieben der Gleitscheiben (11a, 11b, 11c, 11d) quer zur Mittelachse des Wellenelementes 12 wird so vorteilhaft verhindert.
Zur Dämpfung von Schwingungen oder Geräuschentkoppelung wird wie in 1 dargestellt vorgelagert oder wie nicht dargestellt übergeordnet des Aufnahmebereiches der Welle ein weiteres dem Hülsenelement (2) angepasstes Elastomerelement (4) eingebracht, welches in 1 dargestellt ein weiteres Hülsenelement (5) zur Fortführung des Wellensystemes aufnimmt. Zur Einstellung z. B. einer progressiven Drehmomentkennlinie kann dieses Elastomerelement (4) mit an der Berührfläche zu den Wellenelementen (2, 5) mit nicht dargestellten Strukturelementen wie z. B. Dreiecken x oder Kugelelementen x versehen sein.
Für die Herstellung des Wellenelementes (1) bieten sich Verfahren wie Innenhochdruckumformung zur Erzeugung aus einem Rohr oder Kaltumformverfahren an.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- AT 354195 [0005]
- DE 2057851 [0005]
- DE 2926436 [0005]

Claims

Homokinetisches Universalgelenk, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenelement (7), mit einem mehrfach um die Drehachse in axialer Richtung flächig facettiertem Kugelteil, über an den Facettenflächen schalenförmig bündig anliegend und unabhängig voneinander beweglich gestaltete Gleitscheiben (6) mit einem zylindrischen Hülsenelement (8), welches ebenflächige Aussparungen oder Seitenflächen zur Aufnahme der dort ebenfalls bündig anliegenden Gleitscheiben besitzt, in drehbarer und allseitiger formschlüssiger Verbindung steht, so dass über die Gleitscheiben die Übertragung einer relativen Winkelbewegung des Wellenelementes und des Hülsenelementes zueinander möglich ist.
Homokinetsches Universalgelenk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die zum Kugelförmigen Wellenende anliegende Seite der Gleitscheibe denselben Radius und dieselbe Grundkontur wie das Wellenelement sowie die zur Hülse weisende Seite dieselbe Grundkontur wie das Hülsenelement besitzt.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenelement mit den Gleitscheiben innerhalb des Hülsenelementes axial in Richtung Längsachse des Hülsenelementes verschiebbar ist.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsraum des Wellenelementes mit den Gleitscheiben im Hülsenelement in axialer Richtung gegen Verschieben begrenzt ist.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Hülsenelement bei axialer Begrenzung kugelförmige Aufnahmebereiche für zum Wellenelement kugelförmig gestaltete Gleitscheiben besitzt.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten des Kugelelementes aus stirnseitiger Sicht ballig oder sternförmig gestaltet ist.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheiben aus einem schlagzähem langlebigem Werkstoff mit selbstschmierenden Eigenschaften gefertigt ist.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheiben gegen radiales Verschieben gegenüber der Drehachse gesichert sind
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Hülsenelement über eine Dämpfungslage aus Elastomerwerkstoff zur Schwingungsdämpfung mit einem weiteren Hülsenelement gekoppelt ist.
Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungslage aus Elastomerwerkstoff eine Kontur aufweist welche ein progressives Dämpfungsverhalten ermöglicht.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Wellenende des Wellenelementes innerhalb des Hülsenelementes ein Element zur Absorbtion von Kräften in axialer Richtung angeordnet ist.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das facettierte Kugelelement quer zur Längsachse der Welle im Bereich der Gleitflächen eine leichte Wölbung besitzt, so dass die Gleitscheiben selbstzentrierend mittig auf dem Kugelelement gehalten werden.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Hülsenelement im Randbereich der Anlageflächen der Gleitscheiben einen Radius zur Fixierung der zentralen Lage der Gleitscheiben gegenüber der Längsachse des Wellenelementes besitzt.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheiben Einlagen aus Gleitlagerwerkstoffen haben.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheiben aus einem Grundkörper aus Kunststoff mit Gleiteigenschaften bestehen sowie einer Fassung aus einem metallischen Werkstoff haben.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheiben aus einem metallischen Grundkörper mit eingespritzten Einlagen aus einem Kunststoff für Gleitlager gestaltet sind.
Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die eingespritzten Einlagen aus Kunststoff für die Auflagefläche des Wellenelementes sowie für die Auflagefläche des Hülsenelementes miteinander verbunden sind.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheiben mehrschichtig aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind.
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in die Gleitscheiben federnde Elemente zum Ausgleich von Verschleiss enthalten
Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenelement durch Innenhochdruckumformung aus einem Rohr oder durch ein Kaltumformverfahren erzeugt wird.