DE10257127A1

DE10257127A1 - Polygonale Gelenkkupplung

Info

Publication number: DE10257127A1
Application number: DE10257127A
Authority: DE
Inventors: Hsing-Hong Huang
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2003-09-11
Also published as: US6572480B1; GB0226653D0; JP2003184905A; GB2383625A; US20030104871A1; GB2383625B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gelenkkupplung (10), geeignet, um zwei rotierende Wellen, die einen Winkel relativ zueinander einschließen, miteinander zu verbinden. Die Gelenkkupplung (10) weist ein erstes Bauteil (12) und ein zweites Bauteil (14) auf, wobei das erste Bauteil (12) eine erste Längsachse (16), einen gestreckten semi-sphärischen Kopf (18) mit einer Vielzahl von rundherum angeordneten und radial nach auswärts zeigenden Facetten (20) aufweist, welche entlang der ersten Längsachse (16) gekrümmt sind. Das zweite Bauteil (14) weist eine zweite Längsachse (22) und eine Pfanne (24) auf, welche geeignet ist, den gestreckten Kopf (18) aufzunehmen. Die Pfanne (24) beinhaltet weiterhin eine Vielzahl von rundherum angeordneten und radial nach einwärts zeigenden Facetten (30), die zu der Vielzahl von radial nach auswärts zeigenden Facetten (20) auf dem gestreckten Kopf (18) korrespondieren und relativ zur zweiten Längsachse (22) konisch zulaufen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Gelenkkupplung geeignet dafür, zwei winklig nicht linear zueinander angeordnete rotierende Wellen miteinander zu verbinden. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine Gelenkkupplung, geeignet ist eine Rotationsbewegung zwischen zwei Wellen zu übertragen, die einen Winkel einschließen, für Anwendungen mit einem geringen Drehmoment und einer geringen (Rotations-) Geschwindigkeit wie z. B. eine Lenksäule.
Es existieren viele Gelenkkupplungen, die geeignet sind eine Rotationsbewegung von einer ankommenden zu einer abgehenden Welle zu übertragen. Die Zweckbestimmung einer Gelenkkupplung ist es, die Übertragung einer Rotationsbewegung zu gewährleisten, wenn die ankommende und die abgehende Welle einen Winkel einschließen (keine lineare Anordnung aufweisen). Herkömmliche Gelenkkupplungen benutzen ein Paar von Bügeln, die über einem Achsträger miteinander verbunden sind. Nadellager, verankert in von den Bügeln gestützten Kugelkappen, sorgen für die notwendige Flexibilität, um die Rotationsbewegung zwischen den Bügeln zu übertragen, wenn die Bügel einen Winkel einschließen. Diese Ausführung von Gelenkkupplungen ist ideal geeignet für Anwendungen mit großem Drehmoment und hohen Umdrehungszahlen (UPM). Beispiele solcher Baugruppen umfassen z. B. Antriebswellen von heckgetriebenen Kraftfahrzeugen mit Frontmotor. Jedoch ist es bei einigen Anwendungen, wie z. B. der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges, nicht notwendig, daß die Gelenkkupplung robust genug sein muß, um großem Drehmoment und hohen Umdrehungszahlen (UPM) standzuhalten. Bei Lenksäulenanwendungen ist es erwünscht, das Lenkrad mit dem Lenkgetriebe zu verbinden. Aus Gründen der Kapselung und des Unfallschutzes sind die Bauteile im allgemeinen nicht linear angeordnet.
Gelenkkupplungen für Anwendungen bei geringem Drehmoment und geringer Umdrehungszahl (UPM) sind ebenfalls entwickelt worden. Eine dieser Anwendungen beinhaltet die Nutzung einer "Kopf-und-Pfanne-Vorrichtung", wobei der Kopf eine Vielzahl von radial auswärts zeigenden Facetten besitzt und die Pfanne eine korrespondierende Vielzahl von radial einwärts zeigenden Facetten besitzt. Bei dieser Art der Anwendung ist der Kopf auf einer der Wellen aufgesetzt und ist abgerundet, um eine Neigung der Welle relativ zur Pfanne zu erlauben. Die ineinandergreifende Verbindung der auswärts zeigenden Flächen des Kopfes und der einwärts zeigenden Flächen der Pfanne erlauben eine Übertragung der Rotationsbewegung von einer Welle auf die andere ähnlich einem Kupplungsgetriebe. Ein Problem mit dieser Art der Anordnung ist die aufgrund der Reibung zwischen Kopf und Pfanne auftretende Abnutzung der Flächen des Kopfes und der Pfanne mit der Zeit. Mit der Abnutzung der Oberflächen läßt die reibende Verbindung nach. Schließlich wird die Abnutzung des Kopfes und der Pfanne einen Punkt erreichen, an dem zwischen ankommender und abgehender Welle ein nicht mehr akzeptables Spiel oder Totraum vorherrscht.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gelenkkupplung zu schaffen, die eine stabile Verbindung zwischen Kopf und Pfanne auch dann gewährleistet, wenn sich Kopf und Pfanne mit der Zeit abnutzen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Gelenkkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Querschnittsansicht der Gelenkkupplung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Bauteils der Gelenkkupplung aus Fig. 1 mit einem gestreckten semi-sphärischen Kopf;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Bauteils der Gelenkkupplung aus Fig. 1 mit einer Pfanne zur Aufnahme des in Fig. 2 gezeigten gestreckten semi-sphärischen Kopfes;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 1; und
Fig. 5 eine Querschnittsansicht der Pfanne.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist nicht dazu gedacht, den Anwendungsbereich der Erfindung auf die bevorzugte Ausführung einzuschränken, sondern vielmehr dem Fachmann zu ermöglichen die Erfindung nachzuvollziehen und anzuwenden.
Mit Bezug auf die Fig. 1-3 wird allgemein eine Gelenkkupplung 10 dargestellt, die geeignet ist, ein Paar rotierender Wellen, die einen Winkel zueinander einschließen, zu verbinden. Die Gelenkkupplung 10 umfaßt eine erstes Bauteil 12 und ein zweites Bauteil 14. Die ersten Bauteile 12 und zweiten Bauteile 14 sind vorzugsweise aus Metall hergestellt. In der bevorzugten Ausführung sind die ersten Bauteile 12 und zweiten Bauteile 14 aus weichem Kohlenstoffstahl (Weichstahl) der Härte 55 bis 65 nach der Rockwell C Skala hergestellt. Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 hat das erste Bauteil 12 eine Längsachse 16 und umfaßt einen gestreckten semisphärschen Kopf 18 mit einer Vielzahl von rundherum angeordneten und radial auswärts zeigenden Facetten 20, welche entlang der Längsachse 16 gebogen sind.
Bezugnehmend auf Fig. 3 hat das zweite Bauteil 14 eine zweite Längsachse 22 und umfaßt eine Pfanne 24, die geeignet ist, den gestreckten Kopf 18 des ersten Bauteils aufzunehmen. Die Pfanne 24 ist innerhalb des zweiten Bauteils 14 ausgeformt und umfaßt eine Öffnung 26 und einen Boden 28. Die Pfanne 24 umfaßt weiterhin eine Vielzahl von rundherum angeordneten und radial einwärts zeigenden Facetten 30, die zu der Vielzahl der rundherum angeordneten und radial auswärts zeigenden Facetten 20 des gestreckten Kopfes 18 korrespondieren. Die radial einwärts zeigenden Facetten 30 erstrecken sich von der Öffnung 26 bis zu Boden 28, wodurch sie die vielflächige Pfanne 24 definieren.
Bezugnehmend auf Fig. 1 rasten die Facetten 30 und 20 ineinander ein, wenn der gestreckte Kopf 18 des ersten Bauteils 12 in die Pfanne 24 eingeschoben wird, was eine Rotationsbewegung des Kopfes 18 und der Pfanne 24 relativ zueinander unterbindet. Der gestreckte Kopf 18 und die Facetten 30, 20 innerhalb der Pfanne 24 erlauben die Übertragung einer Rotationsbewegung zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 14, wenn die erste Längsachse 16 einen Winkel mit der zweiten Längsachse 22 einschließt.
Der gestreckte Kopf 18 umfaßt zwischen fünf und zehn rundherum angeordnete und auswärts zeigende Facetten 20 und die Pfanne 24 umfaßt eine korrespondierende Anzahl von rundherum angeordneten einwärts zeigenden Facetten 30. Die Anzahl der Facetten 20 und 30 ist abhängig von der besonderen Art der Anwendung. Je geringer die Anzahl der Facetten 20 und 30 ist, desto größer sind die Facetten 20 und 30 und je kleiner ist der relative Winkel zwischen den Facetten 20 und 30. Dieses sorgt für winkligen Kontakt zwischen den einwärts zeigenden Facetten 30 und den auswärts zeigenden Facetten 20. Mit einer steigenden Anzahl an Facetten 20 und 30 vergrößert sich der relative Winkel zwischen den Facetten 20 und 30, so daß der winklige Kontakt zwischen den Facetten 20 und 30 einen stumpfen Winkel einschließt. Daher bestimmt die Anzahl der Facetten 20 und 30, wieviel Drehmoment und Geschwindigkeit die Gelenkkupplung aushalten kann. Je geringer die Anzahl der Facetten 20 und 30, desto mehr Drehmoment kann die Gelenkkupplung 10 aushalten, aber desto lauter wird die Gelenkkupplung 10 sein. Je höher die Anzahl der Facetten 20 und 30, desto weniger Drehmoment, aber desto leiser wird die Gelenkkupplung 10 arbeiten. In der bevorzugten Ausführung besitzen sowohl der gestreckte Kopf 18 und die Pfanne 24 jeweils 6 rundherum angeordnete Facetten 20 und 30.
Die auswärts zeigenden Facetten 20 des gestreckten Kopfes 20 des ersten Bauteiles 12 sind entlang der ersten Längsachse 16 gekrümmt. Dieses erlaubt dem ersten Bauteil 12 in einem Winkel bezüglich des zweiten Bauteils 14 angeordnet zu sein während im wesentlichen der gleiche Bereich des Reibkontakts zwischen den (auswärts zeigenden) Facetten 20 des gestreckten Kopfes 18 und den (einwärts zeigenden) Facetten 30 der Pfanne 24 aufrecht erhalten wird. Dieses ermöglicht die Übertragung der Rotationsbewegung zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 14, wenn das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 einen Winkel einschließen.
Bezugnehmend auf Fig. 5 laufen die (einwärts zeigenden) Facetten 30 innerhalb der Pfanne 24 spitz in einem Winkel 31 zur zweiten Längsachse 22 zu, wodurch sie der Pfanne 24 ein konisches Profil geben, so daß die Pfanne 24 größer wird, während sich die radial einwärts zeigenden Facetten 30 vom Boden 28 zur Öffnung 26 erstrecken. Bezugnehmend auf Fig. 4 paßt der gestreckte Kopf 18 des ersten Bauteils 12 in die Öffnung 26 der Pfanne 24 und gleitet bis zum Boden 28, bis die Querschnittsfläche der Pfanne 24 im wesentlichen der Querschnittsfläche des gestreckten Kopfes 18 entspricht, wobei die einwärts zeigenden Facetten 30 der Pfanne 24 mit den auswärts zeigenden Facetten 20 des gestreckten Kopfes 18 in Kontakt kommen. Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt die Gelenkkupplung 10 weiterhin einen ersten Gehäuseabschnitt 32, der geeignet ist, das erste Bauteil 12 aufzunehmen und einen zweiten Gehäuseabschnitt 34, der geeignet ist, das zweite Bauteil 14 aufzunehmen. Der erste und der zweite Gehäuseabschnitt 32 und 34 sind vorgesehen, miteinander verbunden zu werden, wodurch sie die Verbindung des gestreckten Kopfes 18 des ersten Bauteils 12 in der Pfanne 24 des zweiten Bauteils 14 sicherstellen. Vorzugsweise werden der erste und der zweite Gehäuseabschnitt 32 und 34 aus einem starken aber leichten Material wie Plastik oder Aluminium hergestellt.
Der erste Gehäuseabschnitt 32 ist geeignet, eine Längsbewegung des ersten Bauteils 12 zuzulassen. Dieses ermöglicht dem ersten Bauteil 12 vor und zurück zu gleiten und ermöglicht dem gestreckten Kopf 18 innerhalb der Pfanne 24 vor und zurück zu gleiten. Der zweite Gehäuseabschnitt 34 hält das zweite Bauteil 14 derart, daß keine Längsbewegung des zweiten Bauteils 14 zugelassen wird, jedoch ist der zweite Gehäuseabschnitt 34 geeignet, Schwenkbewegungen des zweiten Bauteils 14 zuzulassen.
In der bevorzugten Ausführung umfaßt das erste Bauteil 12 einen radialen Flansch 36 und der erste Gehäuseabschnitt 32 eine unterstützende über fläche 38. Bei der Montage der Gelenkkupplung 10 wird ein Federmittel 40 zwischen dem radialen Flansch 36 und der unterstützenden Oberfläche 38 eingesetzt, um das erste Bauteil 12 längs von der unterstützenden Oberfläche 38 zu distanzieren. Das Federmittel 40 übt eine beeinflussende Kraft auf das erste Bauteil 12 aus, um das erste Bauteil 12 vollständig eingerastet in dem zweiten Bauteil 14 zu halten. Dieses verhindert das Auftreten von Spiel innerhalb der Gelenkkupplung 10.
Zusätzlich wird das Federmittel 40 einen soliden Kontakt zwischen dem gestreckten Kopf 18 und der Pfanne 24 aufrechterhalten, wenn sich der gestreckte Kopf 18 und die Pfanne 24 abnutzen. Mit der Zeit werden sich die Kanten, die gebildet sind, wo sich die rundherum angeordneten (auswärts zeigenden) Facetten 20 des gestreckten Kopfes 18 treffen, in Folge der Reibung mit den einwärts zeigenden Facetten 30 der Pfanne 24 abnutzen. Die Querschnittsgröße des gestreckten Kopfes 18 wird sich zu einem kleineren Querschnitt abnutzen und die Querschnittsgröße der Pfanne 24 wird sich durch Abnutzung vergrößern, bis letzten Endes Spiel zwischen dem gestreckten Kopf 18 und der Pfanne 24 auftritt.
Die Stärke des verwendeten Federmittels 40 ist wichtig. Das Federmittel 40 muß ausreichend Kraft auf das erste Bauteil 12 ausüben, um eine ausreichende Beeinflussung des ersten Bauteils 12 hervorzurufen, jedoch darf die Stärke des Federmittels 40 nicht zu groß sein, wodurch die Reibung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 12, 14 und dem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt 32, 34 eine reibungslose Rotationsbewegung des ersten und zweiten Bauteils 12, 14 verhindert. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, muß das zweite Bauteil 14 in der Lage sein in dem zweiten Gehäuseabschnitt 34 reibungslos zu schwenken und zu rotieren.
Ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, daß die spitz zulaufenden einwärts zeigenden Facetten 30 der Pfanne 24 für eine Querschnittsgröße der Pfanne 24 sorgen, die allmählich von der Öffnung 26 zum Boden 28 der Pfanne 24 kleiner wird. Wenn sich der gestreckte Kopf 18 und die Pfanne 24 abnutzen, wird das Federmittel 40 den gestreckten Kopf 18 weiter in die Pfanne 24 zu einem Bereich hineindrücken, an dem die Pfanne 24 keine Abnutzung erlitten hat und die Querschnittsgröße des (nun) kleineren gestreckten Kopfes 18 im wesentlichen der Querschnittsgröße der Pfanne 24 entspricht. Daher während sich der gestreckte Kopf 18 und die Pfanne 24 mit der Zeit abnutzen, das konisch zulaufende Profil der Pfanne 24 und die Federmittel 40, die den gestreckten Kopf 18 in die Pfanne 24 preßt, der Gelenkkupplung 10 ermöglichen, einige Abnutzung über die Zeit auszugleichen, während sie die Leistungsfähigkeit der Gelenkkupplung 10 erhalten. Die vorhergehende Beschreibung und beschreibt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung. Der Fachmann wird durch die Ausführungen und die begleitenden Zeichnungen und Ansprüche schnell erkennen, daß Veränderungen und Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne die wahre Idee und den angemessen Anwendungsbereich der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, zu verlassen. Die Erfindung ist in einer illustrierenden Weise beschrieben worden und es ist selbstverständlich, daß die benutzte Terminologie eher in der Natur von beschreibenden Wörtern als in einer Einschränkung zu sehen ist.

Claims

1. Gelenkkupplung (10) zur Verbindung zweier winklig zueinander angeordneter rotierender Wellen, mit
einem ersten Bauteil (12) mit einer ersten Längsachse (16) und einem gestreckten Kopf (18) der eine Vielzahl von rundherum angeordneten und radial nach auswärts zeigenden Facetten (20) aufweist, die entlang der ersten Längsachse (16) gekrümmt sind;
einem zweiten Bauteil (14) mit einer zweiten Längsachse (22) und einer Pfanne (24), die geeignet ist, den gestreckten Kopf (18) aufzunehmen, wobei die Pfanne (24) eine Vielzahl von rundherum angeordneten und radial nach einwärts zeigenden Facetten (30) aufweist, die korrespondierend zu den rundherum angeordneten und radial nach auswärts zeigenden Facetten (20) des gestreckten Kopfes (18) ausgeführt sind und bezogen auf die Längsachse spitz zulaufen, wobei eines der Bauteile (12, 14) derart unter Vorspannung gesetzt ist, dass die Verbindung des ersten Bauteils (12) mit dem zweiten Bauteil (14) aufrechterhalten bleibt.

2. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Bauteile (12, 14) in Längsrichtung federbelastet ist.

3. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gestreckte Kopf (18) zwischen fünf und zehn rundherum angeordneten und radial nach auswärts zeigenden Facetten (20) aufweist und die Pfanne (24) eine korrespondierende Anzahl von rundherum angeordneten und radial nach einwärts zeigenden Facetten (30) aufweist.

4. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gestreckte Kopf (18) sechs rundherum angeordnete und radial nach auswärts zeigende Facetten (20) aufweist und die Pfanne (24) sechs korrespondierende rundherum angeordnete und radial nach einwärts zeigende Facetten (30) aufweist.

5. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Gehäuseabschnitt (32), geeignet, um das erste Bauteil (12) aufzunehmen und einen zweiten Gehäuseabschnitt (34), geeignet, um das zweite Bauteil (14) aufzunehmen und um am ersten Gehäuseabschnitt (32) befestigt zu werden, wodurch der gestreckte Kopf (18) in der Pfanne (24) gehalten ist.

6. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gehäuseabschnitt (32) geeignet ist, eine longitudinale Bewegung des ersten Bauteils (12) zuzulassen und der zweite Gehäuseabschnitt (34) geeignet ist, eine schwenkende Bewegung des zweiten Bauteiles (14) zuzulassen.

7. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (12) einen radialen Flansch (36) aufweist und der erste Gehäuseabschnitt (32) eine unterstützende Oberfläche (38) aufweist, wobei die Gelenkkupplung (10) ein Federmittel (40) enthält, das zwischen dem radialen Flansch (36) und der unterstützenden über fläche (38) angeordnet ist, und geeignet ist, das erste Bauteil (12) von der unterstützende Oberfläche (38) auswärts zu drücken.

8. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (14) aus Metall gefertigt sind.

9. Gelenkkupplung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (14) aus Kohlenstoffstahl der Rockwell C Härte von etwa 55 bis 65 gefertigt sind.