DE102024200008B3

DE102024200008B3 - Tripodestern für ein Tripodegelenk

Info

Publication number: DE102024200008B3
Application number: DE102024200008.6A
Authority: DE
Inventors: Marco Zornhagen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2024-01-02
Filing date: 2024-01-02
Publication date: 2025-06-12
Anticipated expiration: 2044-01-03

Abstract

Ein Tripodestern (10) für ein Tripodegelenk umfasst einen Ringkörper (11) mit einer Drehachse (A), sowie Zapfen (14), die von dem Ringkörper (11) radial abstehen und jeweils eine Lauffläche (15) zur Lagerung jeweils eines Tripoderollers aufweisen. Die Laufflächen (15) der Zapfen (14) weisen jeweils partiell, nämlich in einem Teilbereich (18) der jeweiligen Lauffläche (15) eine Oberflächenstrukturierung (17) aus einer Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen (17a) und zwischen der Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen (17a) liegenden zurückgesetzten Schmiermittelbereichen (17b) auf. Die Höhe zwischen den erhabenen Kontaktbereichen (17a) und den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen (17b) ist um ein Vielfaches größer ist als die Oberflächenrauigkeit der Lauffläche (15) im verbleibenden Bereich ohne besagte Oberflächenstrukturierung (17). Weiterhin wird ein Tripodestern vorgeschlagen, dessen Ringkörper (11) im Bereich des Übergangs in die Zapfen (14) lediglich lokal an in Umfangsrichtung um die Drehachse (A) des Ringkörpers (11) weisenden Teilabschnitten (19) asymmetrisch zur Symmetrieebene der Zapfenachsen (Z) gehärtet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tripodestern für ein Tripodegelenk, umfassend einen Ringkörper mit einer Drehachse, sowie Zapfen, die von dem Ringkörper radial abstehen und jeweils eine Lauffläche zur Lagerung jeweils eines Tripoderollers aufweisen.
Tripodesterne werden herkömmlicherweise zunächst umformtechnisch aus einem Einsatzstahl hergestellt, wobei die Zapfen in der Regel bis auf ein Zerspanungsaufmaß fertig geformt werden. Anschließend wird an dem Ringkörper, bisweilen auch als Nabe bezeichnet, eine Innenverzahnung spanend erzeugt. Danach wird das gesamte Bauteil einsatzgehärtet. Aufgrund der beim Einsatzhärten auftretenden Härteverzüge muss nachfolgend in der Regel eine Hartbearbeitung an Stellen mit hohen Genauigkeitsanforderungen wie beispielsweise an den Laufflächen der Zapfen sowie an der Innenverzahnung vorgenommen werden.
Weiterhin ist es gebräuchlich, Tripodesterne aus Vergütungsstahl zu fertigen und induktiv zu Härten. Auch diese Tripodesterne müssen zumindest im Bereich der Zapfen hart nachbearbeitet werden.
In der Praxis überwiegt jedoch die zuvor genannte Herstellung aus Einsatzstahl.
Durch das Einsatzhärten des gesamten Tripodesterns entstehen hohe Kosten. Zum einen ist der Energieeinsatz je Tripodestern hoch, da die gesamte Masse des Tripodesterns auf Härtetemperatur gebracht werden muss. Zu anderen erfordert das Einsatzhärten einen hohen Handlingsaufwand, da dieses nicht in eine Fließfertigung integrierbar ist. Starke Verzüge sowie die Aufkohlung des Zahnfußbereichs der Innenverzahnung führen zu einer Schwächung der Innenverzahnung. Zudem beeinträchtigen Verzüge die Montierbarkeit und das Tragverhalten. Das vollständige Härten des Bauteils ist allerdings im Hinblick auf das Belastungspotenzial und die Lebensdauer von Vorteil.
Ein Induktionshärten ermöglicht im Gegensatz zum Einsatzhärten kürzere Prozesszeiten, da dieses in eine Fließfertigung integriert werden kann. Überdies treten hierbei weniger Randoxidationen auf. Auch der Energieeintrag kann geringer ausfallen als beim Einsatzhärten. Das Problem von Härteverzügen bleibt jedoch bestehen und muss durch entsprechende Nachbearbeitung ausgeglichen werden.
Gleichwohl sind beide Herstellungsweisen der Praxis gebräuchlich, da es sich hierbei um bewährte und robuste Verfahren handelt.
Ein gattungsgemäßer Tripodestern der eingangs genannten Art ist aus DE 10 2009 037 383 A1 bekannt. Zur Vermeidung der oben erläuterten Probleme wird dort vorgeschlagen, in Abkehr von herkömmlichen Herstellungsweisen, den Tripodestern lediglich partiell im Bereich der Laufflächen durch einen auf diesem Bereich begrenzten lokalen Wärmeeintrag zu härten. Durch einen lediglich lokalen Wärmeeintrag in den Tripodestern, nämlich im Bereich der Laufflächen wird der Energiebedarf in der Fertigung erheblich reduziert. Als besonders geeignete Verfahren werden Induktionshärten sowie Laserhärten genannt. Dies lasse sich vollständig in eine kontinuierliche Fließfertigung integrieren und komme im Hinblick auf das Härten ohne einen zusätzlichen Handlingsaufwand aus. Da der Ringkörper im Bereich seiner Innenverzahnung nicht gehärtet wird, entfällt dort jeglicher Härteverzug, wodurch der Hartnachbearbeitungsaufwand auf die Laufflächen der Zapfen beschränkt werden kann.
Allen vorstehend erläuterten Herstellungsverfahren ist gemeinsam, dass die Zapfen im Bereich der Laufflächen in der Regel einer abschließenden Hartbearbeitung unterzogen werden, um etwaige Härteverzüge auszukorrigieren, womit gleichzeitig eine hohe Oberflächengüte erzielt wird.
Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, dass im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer nicht nur Maßabweichungen durch Härteverzüge, sondern auch eine unzureichende Schmiermittelversorgung im Bereich der Laufflächen problematisch sein kann.
Ein Tripodestern mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist aus US 7 357 723 B2 bekannt. Zur Verbesserung der Schmiermittelversorgung wird dort vorgeschlagen, den lastragenden Bereich des Zapfens in Drehrichtung des Tripodesterns mit einem Muster aus ebenen Flächen oder Dellen zu versehen.
Ferner ist aus US 5 791 995 A bekannt, eine sphärische Lauffläche eines Zapfens umlaufend abzuflachen, den abgeflachten Bereich durch Kugelstrahlen mit einer unebenen Oberfläche zu versehen oder dort eine schraubenförmige Nut oder lineare Nuten parallel zur Zapfenachse anzubringen. Die vorgenannten Oberflächenstrukturierungen können in diesem Bereich auch ohne vorherige Abflachung vorgesehen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung eines Tripodesterns in Bezug auf die Vermeidung von Härteverzügen unter Berücksichtigung der Schmiermittelversorgung weiter zu verbessern.
Hierzu wird ein Tripodegelenk mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Laufflächen der Zapfen jeweils partiell, nämlich in einem Teilbereich der jeweiligen Lauffläche eine Oberflächenstrukturierung aus einer Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen und zwischen der Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen liegenden zurückgesetzten Schmiermittelbereichen aufweisen, wobei die Höhe zwischen den erhabenen Kontaktbereichen und den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen um ein Vielfaches größer ist als die Oberflächenrauigkeit der Lauffläche im verbleibenden Bereich ohne besagte Oberflächenstrukturierung.
Im Vergleich zu DE 10 2009 037 383 A1 kann vorliegend eine Auftrennung beispielsweise eines Hauptlastbereichs an den Zapfen in eine Vielzahl von kleineren Teilkontaktflächen erfolgen. Hierdurch kann Schmiermittel besser zirkulieren, nämlich in den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen um die erhabenen Kontaktbereiche herum, wodurch außerdem Wärme schneller abgeführt werden kann. Durch die verbesserte Zirkulation von Schmiermittel kann eine Mangelschmierung vermieden werden, was sich letztlich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer auswirkt.
Die erhabenen Kontaktbereiche sind durch lokale Martensitbildung gegenüber den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen erhaben. Solche erhabenen Kontaktbereiche können durch entsprechend lokal beschränktes Härten, insbesondere durch Induktionshärten, Laserstrahlhärten oder Elektronenstrahlhärten gewonnen werden. Bei der Martensitbildung kommt es zu einer Volumenzunahme. Dieser Effekt wird vorliegend genutzt, um die erhabenen Kontaktbereiche gegenüber den Schmiermittelbereichen herauszuheben. Zudem wird hierdurch eine Festigkeitssteigerung im Hauptbelastungsbereich der Lauffläche erzielt. Da sich das Härten in diesem Fall auf sehr kleine Bereiche beschränkt, können für die Funktion des Tripodesterns relevante Härteverzüge ausgeschlossen werden, so dass in diesem Fall eine Hartnachbearbeitung nicht erforderlich ist. Der Vorgang kann in eine Fließfertigung integriert werden.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
Vorzugsweise ist die Oberflächenstrukturierung auf einen Bogensegmentbereich der Lauffläche beschränkt, welcher in Umfangsrichtung um die Drehachse des Ringkörpers weist und bezogen auf eine Längsachse Z des jeweiligen Zapfens auf einen Winkelbereich von 30 bis 120° beschränkt ist. Durch eine Beschränkung auf die am stärksten belasteten Bereiche des Tripodesterns bleibt der zusätzliche Herstellungsaufwand zur Verbesserung von Lebensdauer und Wirkungsgrad minimal.
Insbesondere können an einem Zapfen zwei Teilbereiche mit besagter Oberflächenstrukturierung einander in Drehrichtung um die Drehachse des Ringkörpers gegenüberliegen. Dieses ist vor allem bei rekuperierenden Fahrzeugen von Vorteil, da hierdurch die beiden Hauptbelastungsrichtungen am Tripodestern abgedeckt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die Länge der besagten Oberflächenstrukturierung in Richtung der Längsachse des Zapfens auf 20 bis 60 % der Gesamtlänge des Zapfens in Richtung der Längsachse des Zapfens beschränkt. Auch hier liegt die Überlegung zu Grunde, den Herstellungsaufwand auf die am stärksten belasteten Bereiche zu beschränken, um eine besonders belastungsgerechte Bauteiloptimierung zu erzielen.
Weiterhin kann die Abwicklung des Bereichs mit besagter Oberflächenstrukturierung rhombusförmig ausgebildet werden, um eine noch bessere Anpassung an die am stärksten belasteten Bereiche vorzunehmen.
Der Tripoderoller kann dabei einen Innenring, einen Außenring sowie zwischen diesen angeordnete Wälzkörper umfassen und mit dem Innenring an der Lauffläche gelagert sein. Üblicherweise ist bei einer solchen Bauweise die Lauffläche ballig gewölbt, so dass die größte Belastung üblicherweise im Bereich des größten Durchmessers der Lauffläche auftritt. Hier ist eine rhombusförmige Kontur des Teilbereichs mit besagter Oberflächenstrukturierung besonders vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die Länge der besagten Oberflächenstrukturierung in Richtung der Längsachse Z des Zapfens auf 50 bis 90 % der Gesamtlänge des Zapfens in Richtung der Längsachse Z des Zapfens beschränkt. Vorzugsweise ist in diesem Fall die Abwicklung des Bereichs mit besagter Oberflächenstrukturierung dreieckförmig. Eine solche Ausgestaltung eignet sich insbesondere für sogenannte Einfachtripode, bei welchen ein Tripoderoller einen Außenring sowie Wälzkörper umfasst und der Außenring über die Wälzkörper an der Lauffläche des Zapfens gelagert ist. Üblicherweise kann hierbei der Zapfen zylindrisch ausgebildet sein, während die Wälzkörper Nadeln sind.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung überlappt der Teilbereich den Teilkreisradius PCR der Zapfen, wobei die Mindestlänge h des Teilbereichs in Richtung der Längsachse Z der Zapfen gleich oder größer ist als PCR/9,8.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung sind die erhabenen Kontaktbereiche linienförmig und/oder punktförmig ausgebildet sind. Wie oben bereits erwähnt, sind eine Vielzahl solcher linienförmigen und/oder punktförmigen Kontaktbereiche im Teilbereich mit besagter Oberflächenstrukturierung vorhanden. Diese linien- und/oder punktförmigen Kontaktbereiche können in verschiedenen Mustern angeordnet sein.
Als Linien werden Strukturen verstanden, deren Länge ein Mehrfaches ihrer Breite beträgt. Unter den Begriff punktförmig sind vorliegend nicht nur kreisförmige Geometrien sondern auch Polygone jedweder Form zu verstehen. Insbesondere können Geometrien als punktförmig angesehen werden, bei denen das Verhältnis von größter zu kleinster Weite im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt.
Linienförmige erhabene Kontaktbereiche weisen vorzugsweise eine Länge kleiner als 20 mm, kleiner als 10 mm oder kleiner als 5 mm auf. Vorzugsweise ist die Länge größer als 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4 mm. Vorzugsweise ist die Breite kleiner als 3 mm, kleiner als 2 mm oder kleiner als 1 mm. Vorzugsweise ist die Breite größer als 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4 mm.
Punktförmige erhabene Kontaktbereiche weisen vorzugsweise eine Fläche kleiner als 5 mm², 4 mm², 3 mm², 2 mm² oder, 1 mm² auf. Vorzugsweise ist die Fläche größer als 0,5 mm², 1 mm², 2 mm², 3 mm oder 4 mm².
Die zurückgesetzten Schmiermittelbereiche bilden die Zwischenräume zwischen den erhabenen Kontaktbereiche und können in ihrer räumlichen Ausdehnung größer als die erhabenen Kontaktbereiche sein.
Vorzugsweise sind mehrere oder alle der zurückgesetzten Schmiermittelbereiche untereinander verbundene Strukturen, welche auch als ein umfassender, mehrere erhabene Kontaktbereiche umgebender Schmiermittelbereich verstanden werden können.
Weiterhin wird vorliegend ein Tripodestern gemäß Patentanspruch 10 vorgeschlagen. Bei diesem ist der Ringkörper im Bereich des Übergangs in die Zapfen lediglich lokal an in Umfangsrichtung um die Drehachse des Ringkörpers weisenden Teilabschnitten gehärtet, wobei bezogen auf eine Symmetrieebene des Tripodesterns senkrecht zur Drehachse des Ringkörpers der Flächenanteil des gehärteten Teilabschnitts auf der lasttragenden Seite größer ist als auf der gegenüberliegenden, lastabgewandten Seite und vorzugsweise der Ringkörper im Übrigen ungehärtet ist. In diesem Teilabschnitten treten im Betrieb ebenfalls erhöhte Bauteilspannungen auf, denen auf diese Art und Weise sehr gezielt lokal begegnet werden kann. Hierdurch kann auf ein vollständiges Härten des Ringkörpers verzichtet werden. Ein lokales Härten kann wie vorstehend erläutert wiederum durch Induktionshärten, Laserhärten oder Elektronenstrahlhärten vorgenommen werden. Entsprechend kann der Ringkörper aus einem Vergütungsstahl gefertigt sein. Damit ist es möglich, auch diesen Vorgang in eine Fließfertigung zu integrieren.
Das Härten von Lauffläche und Hals des Zapfens kann gegebenenfalls auf einer Maschine in einer Arbeitsfolge und einer Bauteilaufspannung/-ausrichtung erfolgen.
Die asymmetrische Ausgestaltung der gehärteten Teilabschnitte trägt dabei der Tatsache Rechnung, dass ein Tripodestern in der Regel mit einer Antriebswelle verbunden ist und die größeren Belastungen auf der Seite der Antriebswelle auftreten.
Dabei wird vorzugsweise ein Härten des Anschlussbereichs für die Antriebswelle, in der Regel in der Form einer Innenverzahnung, vermieden, da dort das Korrigieren von Härteverzügen besonders aufwendig ist.
Insbesondere können die Teilabschnitte auf Außenumfangsabschnitte des Ringkörpers, welche an die Zapfen angrenzen beschränkt sein.
Die vorstehend vorgestellten lokalen Härtungen am Tripodestern lassen sich auch kombiniert in eine Fließfertigung integrieren und vermeiden relevante Härteverzüge, so dass letztlich eine Hartnachbearbeitung des Tripodesterns nach dem Härten unterbleiben kann, während gleichzeitig der Energieeinsatz für das Härten wie der Aufwand für das Bauteilhandling minimal bleiben. Durch die belastungsgerechte Optimierung werden überdies Lebensdauer und Wirkungsgrad des Tripodesterns weiter verbessert.
Nachfolgend werden Wege zur Ausführung der Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sowie weiteren Abwandlungen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

1 eine Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiel eines Tripodesterns nach der Erfindung,
2 eine Seitenansicht des Tripodesterns aus 1,
3 eine Vorderansicht eines zweiten Ausführungsbeispiel eines Tripodesterns nach der Erfindung,
4 eine Seitenansicht des Tripodesterns aus 3,
5 verschiedene Muster von Oberflächenstrukturierungen,
6 weitere Muster von Oberflächenstrukturierungen, und in
7 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Tripodesterns nach der Erfindung.

Die Ausführungsbeispiele in den 1 bis 4 und 7 zeigen jeweils einen Tripodestern 10 für ein Tripodegelenk, welches beispielsweise in einer Antriebswelle eines Personenkraftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann.
Der Tripodestern 10 weist einen Ringkörper 11 mit einer Drehachse A auf. Zum Anschluss an eine Antriebswelle kann an dem Ringkörper 11 eine zur Drehachse A konzentrische Durchgangsöffnung 12 mit einer vorzugsweise durchgängigen Innenverzahnung 13 vorgesehen sein.
Weiterhin weist der Tripodestern 10 vorzugsweise drei Zapfen 14 auf, welche von dem Ringkörper 11 radial abstehen. Die Zapfen 14 besitzen jeweils eine Längsachse Z. Vorzugsweise schneiden sich die Längsachsen Z sämtlicher Zapfen 14 in einem gemeinsamen Punkt auf der Drehachse A des Ringkörpers 11.
Jeder der Zapfen 14 weist eine Lauffläche 15 für einen nicht näher dargestellten, jedoch an sich bekannten Tripoderoller auf, welche konzentrisch zur Längsachse Z ausgebildet ist.
Das in den 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt einen Tripodestern 10 für ein sogenanntes Doppelrollen-Tripodegelenk. Bei einem solchen umfasst der Tripoderoller einen Außenring, einen Innenring sowie Wälzlager, über welche der Außenring drehbar an dem Innenring gelagert ist. Der Innenring ist seinerseits wiederum an dem Zapfen 14 drehbar und schwenkbar gelagert. Zu diesem Zweck weist die Lauffläche 15 bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein balliges Profil auf, welches in etwa in der Mitte der Länge der Lauffläche 15 in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 14 seinen größten Durchmesser besitzt.
Die 3 und 4 zeigen im Rahmen eines zweiten Ausführungsbeispiels beispielhaft einen Tripodestern 10 für ein sogenanntes Einfach-Tripodegelenk. In diesem Fall umfasst der Tripoderoller lediglich einen Außenring sowie Wälzkörper, über welche der Außenring drehbar an der Lauffläche 15 gelagert ist. Die Lauffläche 15 ist hierbei zylindrisch. Als Wälzkörper kommen beispielsweise Nadeln zum Einsatz, welche zur Lauffläche 15 eine Linienberührung aufweisen.
An den Tripodesternen 10 beider Ausführungsbeispiele treten im Betrieb die größten Belastungen an den Zapfen 14 auf, und zwar an denjenigen Stellen, welche in Drehrichtung um die Drehachse A des Ringkörpers 11 weisen. In den 2 und 4 sind diese Hauptbelastungsbereiche jeweils schematisch eingegrenzt und mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet.
Zur Verbesserung der Schmiermittelversorgung in diesen Bereichen sind die Laufflächen 15 mit einer speziellen, nachfolgend näher erläuterten Oberflächenstrukturierung 17 versehen.
Insbesondere weisen die Laufflächen 15 der Zapfen 14 jeweils partiell, nämlich in einem Teilbereich 18 der jeweiligen Lauffläche 15 eine Oberflächenstrukturierung 17 aus einer Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen 17a und zwischen der Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen 17a liegenden zurückgesetzten Schmiermittelbereichen 17b auf.
Dabei ist die Höhe zwischen den erhabenen Kontaktbereichen 17a und den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen 17b um ein Vielfaches größer ist als die Oberflächenrauigkeit der Lauffläche im verbleibenden Bereich 19 ohne besagte Oberflächenstrukturierung 17.
Es hat sich gezeigt, dass bereits kleine Höhenwerte ab 50 µm wirksam sind, was etwa dem Fünffachen der gemittelten Rautiefe Rz im nicht-oberflächenstrukturierten Bereich der Lauffläche 15 entspricht. Bei zerspanten Strukturen kann die Erhöhung auch in Bereiche von maximal 1 bis 1,5mm ausgedehnt werden. Generell empfehlen sich Höhenwerte von 50 bis 1500 µm und vorzugsweise von 80 bis 1000 µm.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen in den 1 bis 4 ist die Oberflächenstrukturierung auf einen Bogensegmentbereich der Lauffläche 15 an dem jeweiligen Zapfen 14 beschränkt. Der betreffende Bogensegmentbereich erstreckt sich um die Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 14 über einen Winkelbereich 30 bis 140°. Bei Doppel-Tripodegelenken ist dieser Winkelbereich in der Regel größer als bei Einfach-Tripodegelenken.
Vorzugsweise weist der betreffende Bogensegmentbereich in Umfangsrichtung um die Drehachse A des Ringkörpers 11, da in dieser Richtung in der Regel die größten Belastungen auftreten. Wie in den 2 und 4 dargestellt, können die Zapfen 14 zu einer zur Drehachse A des Ringkörpers 11 senkrechten Ebene symmetrisch sein. Die Längsachsen Z der Zapfen 14 erstrecken sich in dieser Ebene und treffen sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Drehachse A. Der Bogensegmentbereich kann in Bezug auf diese Symmetrieebene ebenfalls symmetrisch ausgeführt sein.
In einer Ausführungsvariante sind an einem Zapfen 14 zwei Teilbereiche 18 mit besagter Oberflächenstrukturierung 17 einander in Drehrichtung um die Drehachse A des Ringkörpers 11 gegenüberliegend angeordnet. Dies ist insbesondere bei rekuperierenden Fahrzeugen von Vorteil, bei welchen erhebliche Drehmomente in beide Drehrichtungen übertragen werden müssen.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Länge h der besagten Oberflächenstrukturierung 17 in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 14 auf 20 bis 60 % der Gesamtlänge des Zapfens 14 in Richtung der Längsachse des Zapfens beschränkt. Weiter bevorzugt kann die Länge h auf einen Bereich von 25 bis 45 % der Gesamtlänge eingeschränkt sein.
Weiterhin kann die Oberflächenstrukturierung 17 an der balligen Lauffläche 15 in 2 derart angeordnet sein, dass sich diese über den Bereich des größten Durchmessers der Lauffläche 15 erstreckt. Vorzugsweise kann die Mitte der Erstreckung der Oberflächenstrukturierung 17 in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 15 mit dem größten Durchmesser der Lauffläche 15 zusammenfallen.
Ferner ist es möglich, die Oberflächenstrukturierung 17 in dem vorgenannten Bogensegmentbereich mit einer rhombusförmigen Abwicklung auszuführen. Dabei kann die Höhe der Rhombusform des Teilbereichs 18 mit Oberflächenstrukturierung und 17 in Längsrichtung Z des Zapfens 15 kleiner sein als dessen Breite in Umfangsrichtung um die Längsachse Z.
Die Oberflächenstrukturierung 17 des Teilbereichs 18 in 2 ist in 5 mit einer Vielzahl von Varianten a bis i näher dargestellt, ohne dass die Erfindung auf die konkret dargestellten Varianten beschränkt wäre. Wie oben bereits ausgeführt, weist die Oberflächenstrukturierung 17 eine Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen 17a auf. Zudem ist mindestens ein gegenüber den erhabenen Kontaktbereichen 17a zurückgesetzter Schmiermittelbereiche 17b vorgesehen, welcher an die erhabenen Kontaktbereiche 17a unmittelbar angrenzt. Die zurückgesetzten Schmiermittelbereiche 17b können dabei beispielsweise als voneinander unabhängige Taschen ausgeführt sein, jedoch auch untereinander verbunden sein und einen umfassenden zurückgesetzten Schmiermittelbereich 17b bilden, welcher mehrere oder alle der erhabenen Kontaktbereiche 17a umgibt.
Dabei ist vorzugsweise der Flächenanteil der erhabenen Kontaktbereiche 17a an dem Teilbereich 18 mit Oberflächenstrukturierung 17a kleiner als der Flächenanteil der zurückgesetzten Schmiermittelbereiche 17b. Insbesondere kann der Flächenanteil der zurückgesetzten Schmiermittelbereiche 17b bezogen auf den gesamten Teilbereich 18 in einem Bereich von 70 bis 90% liegen, um möglichst viel Schmiermittel bereitzustellen.
Die erhabenen Kontaktbereiche 17a können linienförmig und/oder punktförmig ausgebildet sein, wie dies in 5 beispielhaft dargestellt ist. Diese linien- und/oder punktförmigen erhabenen Kontaktbereiche 17a können aus einer Vielzahl von Einzelelementen, insbesondere Linienelementen und/oder Punktelementen zusammengesetzt sein, welche in verschiedenen Mustern angeordnet sind.
Als Linienelemente werden Strukturen verstanden, deren Länge ein Mehrfaches ihrer Breite beträgt. Unter einem Punktelement werden nicht nur kreisförmige Geometrien verstanden, sondern auch Polygone beliebiger Form. Insbesondere können Geometrien als punktförmig angesehen werden, bei denen das Verhältnis von größter zu kleinster Weite im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt.
Linienförmige erhabene Kontaktbereiche (kurz: Linienelemente) weisen vorzugsweise eine Länge kleiner als 20 mm, kleiner als 10 mm oder kleiner als 5 mm auf. Vorzugsweise ist die Länge größer als 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4 mm. Vorzugsweise ist die Breite kleiner als 3 mm, kleiner als 2 mm oder kleiner als 1 mm. Vorzugsweise ist die Breite größer als 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4 mm.
Punktförmige erhabene Kontaktbereiche (kurz: Punktelemente) weisen vorzugsweise eine Fläche kleiner als 5 mm², 4 mm², 3 mm², 2 mm² oder, 1 mm² auf. Vorzugsweise ist die Fläche größer als 0,5 mm², 1 mm², 2 mm², 3 mm oder 4 mm².
Wie in 5 in einigen Varianten beispielhaft gezeigt, können mehrere Linienelemente vorgesehen sein, welche parallel zueinander verlaufen. Ferner können Linienelemente vorgesehen sein, welche nicht parallel zueinander verlaufen.
Einzelne Linienelemente können parallel zur Begrenzung der Rhombusform angeordnet sein. Einzelne Linienelemente können in Umfangsrichtung um die Längsachse Z des Zapfens 14 verlaufen. Einzelne Linienelemente können auch parallel zur Längsachse Z des Zapfens 14 verlaufen.
Einzelne Linienelemente können jeweils kreuzungsfrei sein. Es ist jedoch auch möglich, einzelne Linienelemente miteinander zu kreuzen.
Überdies können bogenförmige Linienelemente vorgesehen sein. Gegebenenfalls können mehrere bogenförmige Linienelemente konzentrisch zueinander angeordnet sein.
Punktelemente können in regelmäßigen Mustern angeordnet sein. Punktelemente können auch in unregelmäßigen Mustern angeordnet sein.
Die Punktelemente können so angeordnet sein das diese jeweils aneinander angrenzen, so dass eine Vielzahl von unverbundenen zurückgesetzten Schmiermittelbereichen 17b dazwischen gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Punktelemente so auszuführen, dass die zurückgesetzten Schmiermittelbereiche 17b zwischen den entsprechenden Erhebungen verbunden sind, d.h. gewissermaßen Überströmkanäle für Schmiermittel zwischen den Punktelementen hindurch gebildet sind. Dies gilt analog auch für die vorstehend erläuterten Linienelemente.
Wie in 5, Variante i, beispielhaft dargestellt, können einzelne Linienelemente sich auch über den Teilbereich 18 mit Oberflächenstrukturierung 17 hinaus erstrecken. Insbesondere können solche Linienelemente bis in einen Übergang des Zapfens 14 in den Ringkörper 11 fortgesetzt sein. Anstelle von Linienelementen kann auch eine Reihe von Punktelementen oder ein Muster von Punktelementen und/oder Linienelementen aus dem Teilbereich 18 heraus fortgesetzt sein.
Das zweite Ausführungsbeispiel in den 3 und 4 stellt auf ein Einfach-Tripodegelenk ab, bei welchem ein Tripoderoller über Wälzkörper an der Lauffläche 15 eines Zapfens 14 gelagert ist.
In diesem Fall empfiehlt es sich, die Länge h der besagten Oberflächenstrukturierung 17 in Richtung der Längsachse Z des Zapfens in einem Bereich von 50 bis 90 % der Gesamtlänge des Zapfens 14 in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 14 zu wählen. Vorzugsweise kann hierbei die Abwicklung des Teilbereichs 18 mit Oberflächenstrukturierung 17 dreieckförmig ausgebildet sein.
In 4 ist eine Dreiecksform gezeigt, welche in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 14 eine größere Erstreckung besitzt, als in Umfangsrichtung um die Längsachse Z herum. Insbesondere kann die Dreiecksform in Bezug auf die oben genannte Symmetrieebene symmetrisch sein. Weiter vorzugsweise weist die Dreiecksform zum Ringkörper 11 hin ihre breite Basis auf, wohingegen eine gegenüberliegende Spitze der Dreiecksform von dem Ringkörper 11 weg weist.
In 6 sind verschiedene Varianten für die Oberflächenstrukturierung 17 innerhalb des nunmehr dreieckförmig Teilbereichs 18 beispielhaft dargestellt, ohne dass die Erfindung auf diese Varianten beschränkt wäre.
Auch hier können die erhabenen Kontaktbereiche 17a durch eine Vielzahl von punktförmigen und/oder linienförmigen Einzelelementen gebildet werden, welche wie oben bereits im Zusammenhang mit 5 erläutert ausgeführt sein können.
Die erhabenen Kontaktbereiche 17a sämtlicher Ausführungsbeispiele werden durch lokales Härten, insbesondere Induktionshärten, Laserstrahlhärten oder Elektronenstrahlhärten hergestellt. Die zurückgesetzten Schmiermittelbereiche 17b bleiben hingegen ungehärtet. Hierbei macht man sich zunutze, dass es bei den vorgenannten Härteverfahren durch Martensitbildung zu einer Volumenzunahme in der Gefügestruktur des Werkstoffes kommt, wodurch die erhabenen Kontaktbereiche 17a gegenüber den zurückgesetzten Schmiermittelbereiche 17b hervortreten.
Zudem wird hierdurch eine Festigkeitssteigerung im Hauptbelastungsbereich der Lauffläche 15 erzielt. Da sich das Härten in diesem Fall auf sehr kleine Bereiche beschränkt, vorzugsweise nämlich auf besagte Punktelemente und Linienelemente, können für die Funktion des Tripodesterns 10 relevante Härteverzüge ausgeschlossen werden. Eine Hartnachbearbeitung ist somit nicht erforderlich. Zudem kann die Masse des Zapfens 14 bereits ausreichen, um nach einer lokalen Wärmebehandlung den Wärmeeintrag hinreichend schnell abzuführen, um die für das Härten erforderliche Abkühlgeschwindigkeit zu erzielen. Der Prozess kann in eine Fließfertigung eines Tripodesterns 10 integriert werden.
In Abwandlung hiervon könnte die oben erläuterte Oberflächenstrukturierung 17 jedoch auch umformtechnisch oder durch spanende Bearbeitung erzeugt werden, worauf sich ein Härten, gegebenenfalls lediglich auf den bearbeiteten Bereich beschränkt, beispielsweise analog DE 10 2009 037 383 A1 , anschließen kann. Hier müssen jedoch unter Umständen etwaige Härteverzüge nachträglich korrigiert werden.
Bei den Ausführungsbeispielen den 1 bis 4 können aufgrund des sehr lokalen Wärmeeintrags funktionsrelevante Härteverzüge geringgehalten oder wie vorstehend erläutert praktisch gänzlich vermieden werden. Insbesondere sind hierbei Auswirkungen auf die Genauigkeit der Innenverzahnung 13 nicht mehr zu befürchten, so dass diese ungehärtet hergestellt und nach einem etwaigen Härtevorgang am Zapfen 14 auch nicht mehr nachbearbeitet werden muss.
Das dritte Ausführungsbeispiel in 7 zeigt eine Möglichkeit, bei der der Ringkörper 11 im Bereich des Übergangs in die Zapfen 14 lediglich lokal an in Umfangsrichtung um die Drehachse A des Ringkörpers 11 weisenden Teilabschnitten 19 gehärtet ist. Diese Teilabschnitte 19 beschränken sich vorzugsweise auf Außenumfangabschnitte des Ringkörpers 11, welche an die Zapfen 14 angrenzen.
Bezogen auf die oben bereits erwähnte Symmetrieebene senkrecht zur Drehachse A des Ringkörpers ist der Flächenanteil 19a der gehärteten Teilabschnitte 19 auf der lasttragenden Seite größer als auf der lastabgewandten Seite 19b. Vorzugsweise ist der Grad der Asymmetrie derart, dass das Verhältnis des Flächenanteils der einen Seite zum Flächenanteil der anderen Seite größer ist als 1:1,25, 1:1,3, oder 1:1,5 und optional kleiner ist als 1:10, 1:8 oder 1:5.
Vorzugsweise bleibt dabei der restliche Ringkörper 11 ungehärtet.
In den Teilabschnitten 19 treten im Betrieb eines Tripodegelenks an dem Tripodestern 10 erhöhte Bauteilspannungen auf, denen auf diese Art und Weise sehr gezielt lokal begegnet werden kann.
Hierdurch kann auf ein vollständiges Härten des Ringkörpers 11 verzichtet werden. Ein lokales Härten kann, wie oben in Zusammenhang mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel erläutert, wiederum durch Induktionshärten, Laserhärten oder Elektronenstrahlhärten vorgenommen werden.
Entsprechend kann der Ringkörper 11 wiederum aus einem Vergütungsstahl gefertigt sein. Damit ist es möglich, auch den Vorgang des Härtens der Teilabschnitte 19 in eine Fließfertigung zu integrieren.
Die asymmetrische Ausgestaltung der gehärteten Teilabschnitte trägt dabei der Tatsache Rechnung, dass ein Tripodestern 10 in der Regel mit einer Antriebswelle 20 verbunden wird und die größeren Belastungen auf der Seite der Antriebswelle 20 auftreten.
Dabei wird vorzugsweise ein Härten des Anschlussbereichs für die Antriebswelle 20, zumeist in der Form der vorliegend beispielhaft dargestellten Innenverzahnung 13, vermieden, da dort das Korrigieren von Härteverzügen besonders aufwendig ist.
Die vorstehend vorgestellten lokalen Härtungen am Tripodestern 10 lassen sich auch kombiniert in eine Fließfertigung integrieren und vermeiden relevante Härteverzüge, so dass letztlich eine Hartnachbearbeitung des Tripodesterns 10 nach dem Härten unterbleiben kann, während gleichzeitig der Energieeinsatz für das Härten wie der Aufwand für das Bauteilhandling minimal bleiben. Durch die belastungsgerechte Optimierung können überdies Lebensdauer und Wirkungsgrad des Tripodesterns 10 weiter verbessert werden.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen und weiteren Abwandlungen näher erläutert. Insbesondere können technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, auch wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste

10: Tripodestern
11: Ringkörper
12: Durchgangsöffnung
13: Innenverzahnung
14: Zapfen
15: Lauffläche
16: Hauptbelastungsbereich
17: Oberflächenstrukturierung
17a: erhabener Kontaktbereich
17b: zurückgesetzter Schmiermittelbereich
18: Teilbereich mit Oberflächenstrukturierung
19: Teilabschnitt
h: Länge
A: Drehachse des Ringkörpers 11
Z: Längsachse des Zapfens 14

Claims

Tripodestern (10) für ein Tripodegelenk, umfassend einen Ringkörper (11) mit einer Drehachse (A), sowie Zapfen (14), die von dem Ringkörper (11) radial abstehen und jeweils eine Lauffläche (15) zur Lagerung jeweils eines Tripoderollers aufweisen, wobei die Laufflächen (15) der Zapfen (14) jeweils partiell, nämlich in einem Teilbereich (18) der jeweiligen Lauffläche (15), eine Oberflächenstrukturierung (17) aus einer Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen (17a) und zwischen der Vielzahl von erhabenen Kontaktbereichen (17a) liegenden zurückgesetzten Schmiermittelbereichen (17b) aufweisen, und wobei die Höhe zwischen den erhabenen Kontaktbereichen (17a) und den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen (17b) um ein Vielfaches größer ist als die Oberflächenrauigkeit der Lauffläche (15) im verbleibenden Bereich ohne besagte Oberflächenstrukturierung (17), dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Kontaktbereiche (17a) durch lokale Martensitbildung gegenüber den zurückgesetzten Schmiermittelbereichen (17b) erhaben sind.
Tripodestern (10) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (17) auf einen Bogensegmentbereich der Lauffläche (15) beschränkt ist, welcher in Umfangsrichtung um die Drehachse (A) des Ringkörpers (11) weist und bezogen auf eine Längsachse (Z) des jeweiligen Zapfens (14) auf einen Winkelbereich von 30 bis 120° beschränkt ist.
Tripodestern (10) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassan einem Zapfen (14) zwei Teilbereiche (18) mit besagter Oberflächenstrukturierung (17) einander in Drehrichtung um die Drehachse (A) des Ringkörpers (11) gegenüberliegen.
Tripodesterns (10) nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der besagten Oberflächenstrukturierung in Richtung der Längsachse Z des Zapfens auf 20 bis 60 % der Gesamtlänge des Zapfens in Richtung der Längsachse des Zapfens beschränkt ist, und/oder die Abwicklung des Teilbereichs (18) mit besagter Oberflächenstrukturierung (17) rhombusförmig ist.
Tripodestern (10) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tripoderoller einen Innenring, einen Außenring sowie zwischen diesen angeordnete Wälzkörper umfasst und mit dem Innenring an der Lauffläche (15) gelagert ist.
Tripodestern (10) nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (h) der besagten Oberflächenstrukturierung (17) in Richtung der Längsachse (Z) des Zapfens (14) auf 50 bis 90 % der Gesamtlänge des Zapfens (14) in Richtung der Längsachse (Z) des Zapfens (14) beschränkt ist und/oder die Abwicklung des Teilbereichs (18) mit besagter Oberflächenstrukturierung (17) dreieckförmig ist, wobei, vorzugsweise, der Tripoderoller einen Außenring sowie Wälzkörper umfasst und der Außenring über die Wälzkörper an der Lauffläche (15) gelagert ist.
Tripodestern (10) nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (18) den Teilkreisradius PCR der Zapfen (15) überdeckt und vorzugsweise dessen Mindestlänge h ≥ PCR/9,8 ist.
Tripodestern (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Kontaktbereiche (17a) linienförmig und/oder punktförmig ausgebildet sind.
Tripodestern (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (11) im Bereich des Übergangs in die Zapfen (14) lediglich lokal an in Umfangsrichtung um die Drehachse (A) des Ringkörpers (11) weisenden Teilabschnitten (19) gehärtet ist, wobei bezogen auf eine Symmetrieebene der Zapfen (14) senkrecht zur Drehachse (A) des Ringkörpers (11) der Flächenanteil des gehärteten Teilabschnitts auf der lasttragenden Seite größer ist als auf der lastabgewandten Seite und vorzugsweise der Ringkörper (11) im Übrigen ungehärtet ist.
Tripodestern (10) für ein Tripodegelenk, umfassend einen Ringkörper (11) mit einer Drehachse (A), sowie Zapfen (14), die von dem Ringkörper (11) radial abstehen und jeweils eine Lauffläche (15) zur Lagerung eines Tripoderollers aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (11) im Bereich des Übergangs in die Zapfen (14) lediglich lokal an in Umfangsrichtung um die Drehachse (A) des Ringkörpers (11) weisenden Teilabschnitten (19) gehärtet ist, wobei bezogen auf eine Symmetrieebene der Zapfen (14) senkrecht zur Drehachse (A) des Ringkörpers (11) der Flächenanteil des gehärteten Teilabschnitts auf der lasttragenden Seite größer ist als auf der lastabgewandten Seite.