DE10260173A1

DE10260173A1 - Kugelgleichlaufgelenk

Info

Publication number: DE10260173A1
Application number: DE2002160173
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kaiser; Gregor Schaaf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-10-07
Also published as: WO2004059184A1

Abstract

Ein Kugelgleichlaufgelenk für ein Kraftfahrzeug umfaßt ein Außenteil, das an seiner Innenseite Laufbahnen aufweist, ein Innenteil (3), das in dem Außenteil angeordnet ist und an seiner Außenseite Laufbahnen (5) aufweist, welche den Laufbahnen des Außenteils gegenüberliegen, wobei jeweils eine Laufbahn (5) an dem Außenteil und an dem Innenteil (3) ein Laufbahnpaar bilden, und Kugeln, die in den Laufbahnpaaren aufgenommen sind, wobei eine Kugel (6) zumindest an einer Kugel-Laufbahn (4, 5) über mindestens eine Kontaktstelle abgestützt ist. Entlang des Verlaufs der Kugel-Laufbahn (4, 5) wird die Schmiegung der Kugel-Laufbahn (4, 5) an der bzw. den Kontaktstellen enger oder weiter, d. h. der Krümmungsradius des Laufbahnprofilquerschnitts an den beiden Kontaktstellen nimmt ab bzw. zu. Durch die Variation der Schmiegung kann die Lebensdauer und Bruchfestigkeit erhöht werden. Weiterhin wird die Funktionalität bei großen Beugewinkeln des Gelenks verbessert. Das Kugelgleichlaufgelenk ist zudem einfach und kostengünstig herstellbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kugelgleichlaufgelenk umfassend ein Außenteil, das an seiner Innenseite Kugel-Laufbahnen aufweist, ein Innenteil, das in dem Außenteil angeordnet ist und an seiner Außenseite Kugel-Laufbahnen aufweist, welche den Kugel-Laufbahnen des Außenteils gegenüberliegen, wobei jeweils eine Kugel-Laufbahn an dem Außenteil und an dem Innenteil ein Laufbahnpaar bilden, und Kugeln, die in den Laufbahnpaaren aufgenommen sind, wobei eine Kugel zumindest an einer Kugel-Laufbahn über mindestens eine Kontaktstelle abgestützt ist.
Derartige Kugelgleichlaufgelenke werden beispielsweise in Gelenkwellen von Kraftfahrzeugen eingesetzt und sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.
Für eine einwandfreie Funktion des Gelenks ist die Kraftübertragung zwischen den Laufbahnen des Innenteils und den Laufbahnen des Außenteils über die Kugeln von besonderer Bedeutung. Bei elliptischen oder gotischen Laufbahnen bestehen zwischen der Laufbahn und einer Kugel jeweils zwei Kontaktstellen. Im Betrieb wird je nach Momentenrichtung bzw. Drehrichtung nur eine der Kontaktstellen belastet, woraus eine erhebliche mechanische Beanspruchung der Laufbahnen resultiert.
Die Lage und Größe der Kontaktstellen üben dabei einen merklichen Einfluß auf die Bruchfestigkeit und Lebensdauer des Gleichlaufgelenks aus. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß bei einer Gelenkbeugung die durch das Drehmoment auftretenden Kräfte ungleichmäßig auf die Kugeln verteilt werden. Folglich ergeben sich bei jeder Umdrehung unter Beugung Positionen mit größerer und geringerer Belastung.

Die Erfindung beabsichtigt, ein Kugelgleichlaufgelenk der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch eine hohe Lebensdauer und Bruchfestigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch ein Kugelgleichlaufgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, das eine variable Schmiegung der Kugel-Laufbahnen an die Kugeln aufweist.

Gemäß der Erfindung wird entlang des Verlaufs einer Kugel-Laufbahn die Schmiegung der Kugel-Laufbahn an der bzw. den Kontaktstellen enger oder weiter, d. h. der Krümmungsradius des Laufbahnprofilquerschnitts an den beiden Kontaktstellen nimmt ab bzw. zu.

Durch eine gezielte Veränderung bzw. Variation der Schmiegung an den höher belasteten Positionen läßt sich die Größe und Lage der Kontaktstellen beeinflussen und dadurch die Lebensdauer und Bruchfestigkeit steigern. So kann über den Laufbahnverlauf jeweils die optimale Druckfläche bzw. Flächenerpressung in der Laufbahn eingestellt werden. Dies bedeutet gegenüber heute bekannten Laufbahnen mit konstanter Querschnittskontur eine deutliche Verbesserung.

Dabei kann eine variable Schmiegung allein am Außenteil, allein am Innenteil oder aber auch am Innenteil und am Außenteil vorgesehen werden. Möglich ist weiterhin, lediglich einen Teil der Laufbahnen des Außenteils bzw. des Innenteils mit einer variablen Schmiegung zu versehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Schmiegung entlang des Verlaufs der Kugel-Laufbahn kontinuierlich enger oder weiter. Dies ist fertigungstechnisch vorteilhaft.

Jedoch kann in einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung – unabhängig von einem kontinuierlich enger oder weiter werdenden Schmiegungsverlauf – an Kontaktstellen mit größeren Betriebslasten ein größerer Krümmungsradius als an Kontaktstellen mit geringeren Betriebslasten vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist der Krümmungsradius des Laufbahnprofilquerschnitts eine von der Umschlingung φ der jeweiligen Kugel durch die jeweilige Laufbahn abhängige Funktion. Dies ermöglicht über die Variation der Schmiegung eine Belastungsverminderung in kritischen Bereichen mit geringer Umschlingung. Bei einer kleineren Umschlingung φ kann beispielsweise ein größerer Krümmungsradius gewählt werden.

Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung wird der Krümmungsradius des Laufbahnprofilquerschnitts über den Verlauf der Kugel-Laufbahn am Außenteil von der Einschubseite des Innenteils zu der gegenüberliegenden Seite größer, d. h die Schmiegung nimmt ab bzw. wird weiter.

Für die Herstellung der Laufbahnen, die beispielsweise elliptisch oder gotisch ausgebildet sein können, lassen sich herkömmliche Fertigungsverfahren verwenden. Beispielsweise ist es möglich, die Laufbahnen mit variabler Schmiegung durch einen spanenden Bearbeitungsvorgang herzustellen. Infrage kommen hier vor allem gängige Fräs- und/oder Schleifverfahren. Weiterhin ist es möglich, Kugellaufbahnen mit variierender Schmiegung fertigzuschmieden.

Selbstverständlich kann eine variable Schmiegung jedoch auch bei kreisbogenförmigen Laufbahnen vorgesehen werden.

Prinzipiell kann für eine Kugel, die über zwei Kontaktstellen gegen eine Laufbahn abgestützt ist, der Kontaktwinkel α zur Mittelachse der Laufbahn über den Verlauf der Laufbahn konstant bleiben.

Es ist jedoch auch möglich, für eine weitere Belastungs- und Funktionsoptimierung die variable Schmiegung mit einer Variation des Kontaktwinkels α zu kombinieren. So kann zusätzlich der Kontaktwinkel α einer Kugel entlang der Kugellaufbahn variiert werden, wobei dieser vorzugsweise eine von der Kugelumschlingung φ abhängige Funktion ist.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß auch der Kontaktwinkel α einen deutlichen Einfluß auf die Lebensdauer und Bruchfestigkeit des Gelenkes aufweist. Durch die von der Umschlingung abhängige Gestaltung des Kontaktwinkels α läßt sich die mechanische Belastung im jeweiligen Bereich der Laufbahn weiter optimieren, so daß die Druckfestigkeit erhöht und die Lebensdauer verlängert wird. Zudem wird die Kräfteverteilung im Gelenk vorteilhaft beeinflußt.

Die Erfindung ermöglicht weiterhin die Kombination von fertiggeschmiedeten und spanend hergestellten Laufbahnen bzw. Gelenkkomponenten in einem Gelenk.

Die im Kugelkontakt gegenüberliegenden Kontaktwinkel α am Innen- und Außenteil sind zweckmäßigerweise aufeinander abgestimmt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kugelgleichlaufgelenks mit variabler Schmiegung nach der Erfindung,
2 eine räumliche Darstellung des Außenteils des Kugelgleichlaufgelenks mit Blick auf einige der Kugel-Laufbahnen,
3 eine Querschnittsansicht des Laufbahnprofils entlang der Linie III-III in 2,
4 eine Querschnittsansicht des Laufbahnprofils entlang der Linie IV-IV in 2,
5 eine Querschnittsansicht des Laufbahnprofils entlang der Linie V-V in 2,
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Schmiegungskehrwerts r_k/r in Abhängigkeit der Umschlingung φ der Kugel,
7 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines variierenden Kontaktwinkelverlaufs entlang einer Laufbahn für eine Abwandlung des Kugelgleichlaufgelenks nach den 1 bis 6, und in
8 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Kontaktwinkels α in Abhängigkeit der Umschlingung φ der Kugel für die Abwandlung des Kugelgleichlaufgelenks mit variierendem Kontaktwinkelverlauf.
Das in 1 beispielhaft dargestellte Kugelgleichlaufgelenk 1 umfaßt ein Außenteil 2 und ein Innenteil 3. Sowohl das Außenteil 2 als auch das Innenteil 3 sind an ihren zueinander weisenden, radialen Seiten mit Laufbahnen 4 bzw. 5 versehen, welche jeweils paarweise eine Kugel 6 aufnehmen. Dabei kann das Innenteil 3, das hier eine Aufnahme 7 für eine Welle aufweist, gegenüber dem Außenteil 2 verschwenkt werden. Das Außenteil 2 nach dem Ausführungsbeispiel besitzt eine glockenartige, das Innenteil 3 umschließende Form und weist einen Wellenansatz 8 auf.
Zudem ist ein Käfig 9 zwischen dem Außenteil 2 und dem Innenteil 3 vorgesehen, der Fenster zur Aufnahme der Kugeln 6 und gegebenenfalls auch zur Führung derselben aufweist.
Wie 1 zeigt, bilden jeweils eine Laufbahn 4 bzw. 5 an der Innenseite des Außenteils 2 und an der Außenseite des Innenteils 3 ein Laufbahnpaar. Dabei sind die Laufbahnen derart ausgestaltet, daß die zugehörigen Kugeln 6 über zwei Kontaktstellen P₁ und P₂ gegen die jeweilige Laufbahn 4 bzw. 5 abgestützt sind. Dies ist insbesondere bei elliptischen und gotischen Laufbahnen der Fall.
Die Laufbahnen 4 bzw. 5 sind mit variabler Schmiegung ausgebildet. Dies bedeutet, daß entlang des Verlaufs der Kugel-Laufbahnen die Schmiegung der Kugel-Laufbahnen 4 bzw. 5 an die jeweilige Kugel 6 an den beiden Kontaktstellen P₁ und P₂ enger oder weiter wird. In den 3 bis 5, die Laufbahnprofilquerschnitte einer ausgewählten Laufbahn 4 an dem Außenteil 2 an verschiedenen Stellen entlang der Laufbahn 4 zeigen, ist dies anhand der Krümmungsradien r_a, r_b und r_c zu erkennen. Dabei bedeutet ein kleinerer Krümmungsradius eine engere Schmiegung, ein größerer Krümmungsradius hingegen eine weitere Schmiegung an den Kontaktstellen P₁ und P₂. Da die Krümmungsradien r_a, r_b und r_c größer als der Kugelradius r_k sind, liegt der jeweilige Krümmungsmittelpunkt M_a, M_b bzw. M_c außerhalb des Kugelmittelpunkts M_k.
Aus der Abfolge der 3 bis 5 ist zu erkennen, daß die Schmiegung entlang des Verlaufs der Kugel-Laufbahn 4 in einer Richtung kontinuierlich enger wird. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr wird der Verlauf des Krümmungsradius entlang der Kugel-Laufbahn 4 derart gewählt, daß an den Kontaktstellen mit größeren Betriebslasten ein größerer Krümmungsradius als an Kontaktstellen mit geringeren Betriebslasten vorgesehen ist. In den meisten Fällen werden sich jedoch die Stellen größter Belastung im Bereich großer Beugungswinkel, d. h. am Laufbahnende befinden.
So liegt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der kleinste Krümmungsradius r_c für die Laufbahnen 4 des Außenteils 2 an der Einschubseite des Innenteils 3. Von dort ausgehend nimmt der Radius bis zum gegenüberliegenden Ende der Laufbahn kontinuierlich zu, so daß gilt r_a > r_b > r_c > r_k. Auf der Seite der größten Belastung ergibt sich damit eine verhältnismäßig weite Schmiegung, wodurch die in diesem Bereich entstehenden Kontaktstellen mit dem über die eigentliche Berührfläche hinausgehenden Spannungsbereich selbst bei einer dort geringeren Umschlingung φ noch von der Laufbahn aufgenommen werden können. Die Laufbahnkante bleibt unbeschädigt.
Der Krümmungsradius r_a, r_b, r_c des Laufbahnprofilquerschnitts ist hier eine von der Umschlingung φ der jeweiligen Kugel 6 abhängige Funktion ist. 6 zeigt beispielhaft den Verlauf des Schmiegungskehrwertes r/r_k, d.h. das Verhältnis von Laufbahnradius r zu Kugelradius r_k in Abhängigkeit der Umschlingung φ. Bei einer kleineren Umschlingung φ₀ liegt größerer Laufbahn-Krümmungsradius r_a, r_b, r_c, bei größerer Umschlingung φ_max hingegen ein kleinerer Laufbahn-Krümmungsradius r_a, r_b, r_c vor.
Eine variable Schmiegung in entsprechender Art und Weise ist außerdem an den Laufbahnen 5 des Innenteils 3 vorgesehen.
Es ist jedoch auch möglich, lediglich die Laufbahnen 4 des Außenteils 2 oder die Laufbahnen 5 des Innenteils 3 mit einer variablen Schmiegung auszustatten.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist für sämtliche Kontaktstellen P₁ bzw. P₂ einer Laufbahn 4 bzw. 5 der Kontaktwinkel α über den Verlauf der Laufbahn 4 bzw. 5 konstant.
Unter dem Kontaktwinkel α wird hier der Winkel zwischen der Mittelachse A des Laufbahnprofilquerschnitts zu der jeweiligen Kontaktstelle P₁ oder P₂ verstanden.
In einer Abwandlung des vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiels ändert sich der Kontaktwinkel α entlang der Laufbahn 4 bzw. 5. Zur Optimierung der mechanischen Beanspruchung des Gleichlaufgelenks 1 bestimmt sich der Kontaktwinkel α als mathematische Funktion α = f(φ) der Umschlingung φ der jeweiligen Kugel 6 durch die jeweilige Laufbahn 4 bzw. 5, da die Umschlingung bzw. der Umschlingungswinkel φ sich entlang der Laufbahn 4 bzw. 5 verändert. Die Variation des Kontaktwinkels α kann weiterhin dazu genutzt werden, die Kräfteverteilung im Gelenk 1 zu beeinflussen.
8 zeigt die Abhängigkeit des Kontaktwinkels α von dem Umschlingungswinkel φ beispielhaft als linear ansteigende Funktion α = c₁?φ + c₂. Jedoch sind hierbei auch andere Funktionsverläufe mit steigender Charakteristik denkbar.
An dem Außenteil 2 der in den 1 bis 5 dargestellten Grundform kann beispielsweise in Richtung der Längserstreckung der Laufbahn 4 bzw. 5, d. h. in Abhängigkeit des Längserstreckungsparameters x der in 7 anhand der durchgezogenen Linie 11 dargestellte Verlauf des Kontaktwinkels α vorgesehen werden, wenn die Umschlingung φ im Mittelbereich der Laufbahn am größten ist.
Es ist jedoch auch möglich, den Kontaktwinkelverlauf auf den Krümmungsradius des Laufbahnquerschnittes abzustimmen. Beispielsweise kann bei kleineren Radien r ein kleinerer Kontaktwinkel α gewählt werden, um bei einer starken Gelenkbeugung Verformungen an der Laufbahnkante zu vermeiden. Es gilt dann α = f(φ, r).
Die Laufbahnen 4 bzw. 5 lassen sich durch herkömmliche Fertigungsverfahren herstellen. Geeignet sind insbesondere Fräs- und Schleifverfahren. Weiterhin ist es möglich, entweder an dem Außenteil 2 oder an dem Innenteil 3 fertiggeschmiedete Laufbahnen zu verwenden und mit einem Gegenstück zu kombinieren, dessen Laufbahnen spanend hergestellt sind.
Damit ergibt sich ein Kugelgleichlaufgelenk, das einerseits eine hohe Lebensdauer und hohe Bruchfestigkeit aufweist, sich andererseits jedoch einfach und kostengünstig herstellen läßt.
Durch die variable Schmiegung über den gesamten Verlauf der Kugel-Laufbahnen kann die Druckellipse an den Kontaktstellen der jeweiligen Belastung optimal angepaßt werden.
Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Formgebung der Laufbahnen eine Funktionsverbesserung erzielt. Insbesondere wird bei starken Beugewinkeln unter hoher Last die Gefahr der Verklemmung des Gelenks verringert.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das erläuterte Ausführungsbeispiel und die beschriebenen Abwandlungen beschränkt, sondern umfaßt vielmehr alle in den Patentansprüchen angegebenen Kugelgleichlaufgelenke.

1: Kugelgleichlaufgelenk
2: Außenteil
3: Innenteil
4: Laufbahn des Außenteils
5: Laufbahn des Innenteils
6: Kugel
7: Wellenaufnahme
8: Wellenansatz
9: Käfig
11: Kontaktwinkelfunktion in Abhängigkeit des Längserstreckungsparameters x
12: Kontaktwinkelfunktion in Abhängigkeit der Umschlingung
α: Kontaktwinkel
φ: Umschlingung bzw. Umschlingungswinkel
A: Mittelachse des Laufbahnprofilquerschnitts
M_i: Mittelpunkt
P₁: Kontaktstelle
P₂: Kontaktstelle
r_a: Krümmungsradius
r_b: Krümmungsradius
r_c: Krümmungsradius
r_k: Kugelradius

Claims

Kugelgleichlaufgelenk, insbesondere zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, umfassend: – ein Außenteil (2), das an seiner Innenseite Kugel-Laufbahnen (4) aufweist, – ein Innenteil (3), das in dem Außenteil (2) angeordnet ist und an seiner Außenseite Kugel-Laufbahnen (5) aufweist, welche den Kugel-Laufbahnen (4) des Außenteils (2) gegenüberliegen, wobei jeweils eine Kugel-Laufbahn (4, 5) an dem Außenteil (2) und an dem Innenteil (3) ein Laufbahnpaar bilden, und – Kugeln (6), die in den Laufbahnpaaren aufgenommen sind, wobei eine Kugel (6) zumindest an einer Kugel-Laufbahn (4, 5) über mindestens eine Kontaktstelle (P1, P2) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des Verlaufs der Kugel-Laufbahn (4, 5) die Schmiegung der Kugel-Laufbahn (4, 5) an der bzw. den Kontaktstellen (P₁, P₂) enger oder weiter wird, d.h. der Krümmungsradius (r_a, r_b, r_c) des Laufbahnprofilquerschnitts an den beiden Kontaktstellen (P₁, P₂) ab- oder zunimmt.
Kugelgleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiegung entlang des Verlaufs der Kugel-Laufbahn (4, 5) kontinuierlich enger oder weiter wird.
Kugelgleichlaufgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Kontaktstellen (P₁, P₂) mit größeren Betriebslasten ein größerer Krümmungsradius (r_a, r_b, r_c) als an Kontaktstellen (P₁, P₂) mit geringeren Betriebslasten vorgesehen ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Krümmungsradius (r_a, r_b, r_c) des Laufbahnprofilquerschnitts eine von der Umschlingung φ der jeweiligen Kugel (6) durch die jeweilige Laufbahn (4, 5) abhängige Funktion ist, insbesondere derart, daß bei einer kleineren Umschlingung φ ein größerer Krümmungsradius ((r_a, r_b, r_c) vorliegt.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (r_a, r_b, r_c) des Laufbahnprofilquerschnitts über den Verlauf der Kugel-Laufbahn (5) am Außenteil (2) von der Einschubseite des Innenteils (3) zu der gegenüberliegenden Seite größer wird, d. h. die Schmiegung abnimmt.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Laufbahn (4, 5) eine elliptische oder gotische Laufbahn ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Laufbahn (4, 5) eine kreisbogenförmige Laufbahn ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Laufbahn (4, 5) mit variabler Schmiegung durch einen spanenden Bearbeitungsvorgang hergestellt, insbesondere gefräst und/oder geschliffen ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Laufbahn (4, 5) mit variabler Schmiegung fertiggeschmiedet ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für eine über zwei Kontaktstellen (P₁, P₂) gegen eine Kugel-Laufbahn (4, 5) abgestützte Kugel (6) der Kontaktwinkel a zur Mittelachse (A) der Laufbahn über den Verlauf der Kugel-Laufbahn (4, 5) konstant ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für eine über zwei Kontaktstellen (P₁, P₂) gegen eine Kugel-Laufbahn (4, 5) abgestützte Kugel (6) der Kontaktwinkel α entlang der Kugellaufbahn (4, 5) variiert und eine von der Umschlingung φ der jeweiligen Kugel (6) durch die jeweilige Laufbahn (4, 5) abhängige Funktion ist.
Kugelgleichlaufgelenk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwinkel α mit abnehmender Umschlingung φ kleiner wird.