DE19681477C2

DE19681477C2 - Tripodegleichlaufdrehgelenke

Info

Publication number: DE19681477C2
Application number: DE19681477T
Authority: DE
Inventors: Stephen Charles Bartlett
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: WO1997002438A1; GB9513575D0; JP4021482B2; CN1196112A; KR19990028711A; GB9726024D0; DE19681477T1; AU6234496A; BR9609471A; JPH11508673A; GB2316996A; GB2316996B; US6033311A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufdrehgelenk des Tripode- Typs, umfassend ein erstes Gelenkteil mit einer Rotationsachse und drei um diese Rotationsachse umfangsverteilten und sich längs dazu erstreckenden Führungsbahnen, ein zweites Gelenkteil mit einer Rotationsachse und drei Zapfen, die jeweils eine Achse aufweisen und sich in die Führungsbahnen des ersten Gelenkteils hineinerstrecken, sowie jeweils ein Rollenelement, das von je weils einem Zapfen getragen wird, wobei jedes Rollenelement eine Achse hat und eine äußere Umfangsfläche aufweist, die eine auf die Achse des Rollenelements bezogene Rotationsfläche ist und mit sich gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Führungs bahn des ersten Gelenkteils zusammenwirkt, wobei das Rollen element auf dem entsprechenden Zapfen drehbar und längsbeweglich zur Zapfenachse gehalten ist und in der Lage ist, in seiner entsprechenden Führungsbahn zu kippen.

Solch ein Tripodegelenk wird nachstehend als Tripodegelenk der genannten Art bezeichnet.

Bisher ist bei Tripodegelenken der genannten Art die äußere Umfangsfläche jedes Rollenelements eine im wesentlichen teilku gelige Oberfläche, während die sich gegenüberliegenden Seiten jeder Führungsbahn im ersten Gelenkteil, die mit der äußeren Umfangsfläche des zugehörigen Rollenelements zusammenwirken, teilzylindrische Oberflächen aufweisen. Der Krümmungsradius der teilkugeligen Oberfläche des Rollenelements ist im wesentlichen der gleiche wie der Krümmungsradius der teilzylindrischen Ober flächen der Führungsbahnen, obwohl in der Praxis eine kleine Abweichung zwischen den Krümmungsradien der Seiten der Führungs bahnen und der der äußeren Umfangsoberfläche des Rollenelements vorkommt, so daß der Kontaktbereich zwischen dem Rollenelement und den Führungsbahnseiten reduziert ist.

Ein Problem, das bei konventionellen Tripodegelenken, die wie oben beschrieben ausgeführt sind, auftritt, besteht darin, daß während des Betriebs bei Gelenkbeugung (d. h. wenn die Rotations achsen der zwei Gelenkteile zueinander geneigt sind) axiale Kräfte zwischen den Gelenkteilen auftreten. Solche Kräfte sind Kräfte dritter Ordnung, d. h. sie liegen bei einer Frequenz, die drei Mal so hoch ist, wie die Drehzahl des Gelenks. Sie werden im Betrag mit zunehmendem Beugungswinkel des Gelenks größer.

Die Wirkung solcher Kräfte wird besonders deutlich, wenn die Gelenke in den Antriebswellen von Kraftfahrzeugen mit Front antrieb verwendet werden, wobei solche Gelenke üblicherweise als innenliegende Gelenke benutzt werden, um aufgrund ihrer Eigen schaft, daß die zwei Gelenkteile ineinander verschiebbar sind, d. h. axial einander gegenüber beweglich sind, die Änderungen in der Gesamtlänge der Antriebswellen auszugleichen, die durch die Bewegungen in der Radaufhängung auftreten. Ein Problem, das bei einer solchen Benutzung der Gelenke auftritt, ist sogenanntes "Shudder", wobei die vom Gelenk erzeugten Axialkräfte auf die Fahrzeugstruktur übertragen werden und von den Insassen des Fahrzeugs unter bestimmten Bedingungen als dröhnende Vibration wahrgenommen werden. "Shudder" ist insbesondere ein Problem, wenn ein Fahrzeug beschleunigt, weil sich das Vorderteil des Fahrzeugs hebt, wodurch sich bei den meisten Antriebsstrang anordnungen der Beugungswinkel der innenliegenden Gleichlaufge lenke der Antriebswellen vergrößert, und dies, in Kombination mit dem hohen Drehmoment, das von den Gelenken übertragen wird, verschlimmert das Problem. Das Problem ist in modernen Personen wagen eher größer, bei denen die Erfordernisse höherer Kompaktheit der Antriebsanordnung größere Einbaubeugungswinkel der innenliegenden Gleichlaufgelenke wahrscheinlich machen.

Es gibt Gleichlaufgelenke, bei denen "Shudder" weniger ein Pro blem ist als bei den bisher bekannten Tripodegleichlaufgelenken der genannten Art, und einige solcher Gelenke sind grundsätzlich Tripodegelenke, weisen aber komplexere Rollenanordnungen auf. Diese Komplexizität macht die Herstellung der Gelenke teuer.

Aus der EP 0 453 334 A1 geht ein Tripodegleichlaufdrehgelenk, welches ein Gelenkaußenteil mit einer ersten Rotationsachse und ein Gelenkinnenteil mit einer zweiten Rotationsachse aufweist. Das Gelenkaußenteil umfaßt drei Laufrillen, welche um die erste Rotationsachse umfangsverteilt angeordnet sind, zu dieser wink lig verlaufen und jeweils zwei gegenüberliegende parallele Lauf flächen aufweisen. Das Gelenkinnenteil umfaßt drei um die zweite Rotationsachse umfangsverteilt angeordnete nach außen weisende Zapfen, die jeweils ein um eine Schwenkachse drehbar gelagertes Rollenelement tragen. Das Gelenkinnenteil ist mittels einer Verzahnung drehfest mit einer Welle verbunden. Die Rollenelemen te greifen zur Drehmomentübertragung in die Laufrillen des Ge lenkaußenteils ein, wobei eine Abwinklung zwischen den beiden Gelenkteilen ermöglicht wird. Die Schwenkachsen verlaufen wink lig zu einer auf der zweiten Achse senkrecht stehenden Ebene.

Allgemein gesagt ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tripodegleichlaufdrehgelenk der eingangs genannten Art be reitzustellen, bei dem das oben beschriebene "Shudder"-Problem überwunden oder verringert wird, jedoch bei im Vergleich zu den komplexeren Gelenken, die zusätzliche Komponenten umfassen, geringeren Kosten.

Erfindungsgemäß wird ein Tripodegleichlaufdrehgelenk der genann ten Art bereitgestellt, bei dem die Achsen der Zapfen des zwei ten Gelenkteils relativ zu einer Ebene geneigt sind, die senk recht zur Rotationsachse des zweiten Gelenkteils steht und/oder bei dem die Achsen der Zapfen gegenüber der Rotationsachse des zweiten Gelenkteils versetzt sind und bei dem die äußere Um fangsfläche jeden Rollenelements eine auf die Achse des Rollen elements bezogene Rotationsfläche mit einer konvexen, im all gemeinen bogenförmiger Kontur ist, deren Krümmungsradius größer ist als der größte Radius des Rollenelements um die Rollenele mentachse.

Der genannte Radius der im allgemeinen bogenförmigen Kontur wird hier der Einfachheit halber als Meridianradius des Rollenele ments bezeichnet. Der größte Radius des Rollenelements um die Rollenelementachse wird als Äquatorialradius bezeichnet.

Durch die Kombination der obengenannten Hilfsmittel werden die zwischen den Gelenken entstehenden Kräfte dritter Ordnung ver ringert, so daß auch das "Shudder"-Problem kleiner wird. Die Kosten eines erfindungsgemäßen Gelenks sind geringer als die von Gelenken mit zusätzlichen Komponenten.

Der Meridianradius des Rollenelements kann etwa 1,5 mal so groß sein wie der Äquatorialradius des Rollenelements.

Die Konfiguration der äußeren Umfangsfläche der Rollenelemente in einem erfindungsgemäßen Gelenk in Form einer auf die Rollen elementachse bezogene Rotationsfläche mit einer im allgemeinen bogenförmigen Kontur, deren Radius größer ist als der Äquatori alradius des Rollenelements, bedeutet, daß eine solche Rollen elementoberfläche im wesentlichen tonnenförmig ist. Um mit sol chen Rollenelementoberflächen sinnvoll zusammenzuwirken, können die sich gegenüberliegenden Seiten der Führungsbahnen im ersten Gelenkteil nicht einander gegenüberliegende teilzylindrische Abschnitte eines einzigen Zylinders sein, dessen Längsachse entlang der Mittellinie der Führungsbahn verläuft, sondern die sich gegenüberliegenden Seiten jeder Führungsbahn müssen Ab schnitte verschiedener Zylinder sein, deren Radius etwas größer ist als der Krümmungsradius der im allgemeinen bogenförmigen Kontur der Umfangsfläche des Rollenelements, die eine auf die Rollenelementachse bezogene Rotationsfläche ist.

Der Krümmungsradius jedes Seitenabschnitts der Führungsbahn ist, betrachtet man ihn im Querschnitt längs zur Rotationsachse des ersten Gelenkteils, vorzugsweise größer als oder gleich dem 1,05-fachen des Meridianradius des Rollenelements.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand der beilie genden Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Gleichlaufdrehgelenks zeigt;

Fig. 2 eine Axialansicht des zweiten Gelenkteils des Gelenks nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine Darstellung ist, die die Konfiguration von Rol lenelement und Führungsbahn des Gelenks nach Anspruch 1 zeigt;

Fig. 4 eine Axialansicht einer weiteren Ausführung des erfin dungsgemäßen Gelenks zeigt; und

Fig. 5 ein Längsschnitt durch das zweite Gelenkteil des Ge lenks nach Fig. 4.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen umfaßt ein Tripodegleichlaufdrehgelenk ein erstes, äußeres Gelenkteil 10 mit einem im allgemeinen topfförmigen Bauteil 11 mit einer Außenwand 12, die einen Innenraum 13 definiert, der an einem Ende durch eine Grundplatte 14 abgeschlossen ist, von der aus sich ein Wellenzapfen 15 erstreckt. Der Wellenzapfen 15 weist einen mit Keilnuten versehenen Abschnitt 16 zur Drehmomentüber tragung beim Eingreifen in ein anderes rotierendes Bauteil auf.

Wenn das Gelenk in einer Antriebswellenanordnung für ein Kraft fahrzeug zum Antrieb eines Fahrzeugrades benutzt werden soll, was normalerweise der Fall ist, handelt es sich bei diesem ande ren Bauteil üblicherweise um ein Abtriebsbauteil eines Differen tialgetriebes.

Die Rotationsachse des Gelenkaußenteils 10 ist mit der Bezugs ziffer 17 bezeichnet.

Innerhalb der Außenwand 12 des topfförmigen Bauteils 11 des Gelenkaußenteils 10 sind drei umfangsverteilte Führungsbahnen vorgesehen, von denen eine stellvertretend für die anderen mit der Bezugsziffer 18 in Fig. 1 zu sehen ist. Die Führungsbahnen sind gleichmäßig umfangsverteilt am Gelenkaußenteil angeordnet und erstrecken sich parallel zu dessen Achse 17. Jede Führungs bahn umfaßt sich gegenüberliegende Seitenabschnitte, die nach folgend genauer beschrieben werden, wobei eine dieser Seiten abschnitte in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 19 versehen ist.

Das Gelenk umfaßt ferner ein zweites, inneres Gelenkteil, das mit 20 bezeichnet und separat in Fig. 2 dargestellt ist; das Gelenkinnenteil 20 umfaßt ein ringförmiges Bauteil 21 mit einer mit Keilnuten versehenen Bohrung 22, die zur Drehmomentübertra gung mit einem mit Keilnuten versehenen Endabschnitt 23 einer Antriebswelle 24 zusammenwirkt. Das Gelenkinnenteil 20 ist am Antriebswellenendabschnitt 23 durch einen Sicherungsring 25 befestigt. Das Gelenkinnenteil 20 umfaßt ferner drei nach außen gerichtete Zapfen 26, 27, 28, die jeweils Rollenelemente 29, 30, 31 tragen. In Fig. 1 ist das Rollenelement 29 auf dem Zapfen 26 in der Führungsbahn 18 abrollend dargestellt; die anderen Rol lenelemente 30, 31 wirken in gleicher Weise mit ihren entspre chenden Führungsbahnen zusammen.

Jedes Rollenelement wird (wie bei Tripodegleichlaufgelenken üblich) mittels Lagermitteln, wie z. B. Nadellagern auf seinem entsprechenden Zapfen längsbeweglich gegenüber dem Zapfen und drehbar um eine Rollenelement- und Zapfenachse, die mit 32 für den Zapfen 26 bezeichnet ist, gehalten. Die Rollenelemente und eingesetzte Lager werden auf ihren Zapfen durch Sicherungsringe 33 befestigt. Wie deutlich in Fig. 1 zu sehen ist, sind die Achsen, z. B. 32, der Zapfen, z. B. 26, relativ zu der mit 34 bezeichneten Ebene geneigt, die senkrecht zur Rotationsachse 35 des Gelenkinnenteils 20 und der Welle 24 steht: in Fig. 1 fällt die Rotationsachse 35 mit der Rotationsachse 17 zusammen, da sich das Gelenk im ausgerichteten (nicht-gebeugten) Zustand befindet. Die Zapfenachsen schneiden die Rotationsachse 35 des Gelenkinnenteils.

Fig. 3 der Zeichnungen zeigt die Konfiguration eines der Rol lenelemente des Gelenks und sein Zusammenwirken mit der zugehö rigen Führungsbahn detaillierter. In Fig. 3 ist das Rollen element 29 in seiner Führungsbahn 18 vergrößert dargestellt, wobei die Oberflächen der sich gegenüberliegenden Seiten der Führungsbahn mit 19, 19a bezeichnet sind, und wobei angenommen wird, daß das Gelenk gebeugt ist und auf einen Winkel verdreht ist, bei dem die Achse 32 des Zapfens und des Rollenelements in einem angegebenen Verdrehwinkel 39 relativ zu einer Linie 40 geneigt ist, die parallel zu einer Ebene ist, die die Rotations achse 17 des Gelenkaußenteils 10 enthält

Das Rollenelement hat eine äußere Umfangsfläche 41, die eine sich auf die Rollenachse 32 bezogene Rotationsfläche mit einer konvexen bogenförmigen Kontur ist, dessen Krümmungsradius mit R_Meridian bezeichnet und größer ist, als der Äquatorialradius des. Rollenelements, der mit R_Äquator bezeichnet ist. Daher ist die Oberfläche 41 eher tonnenförmig als teilkugelig ausgebildet, wie es bisher allgemein üblich gewesen ist.

Experimente haben gezeigt, daß ein vorteilhaftes Resultat er zielt werden kann, wenn R_Meridian etwa 1,5 mal so groß ist wie R_Äquator.

Die sich gegenüberliegenden Seiten 19, 19a der Führungsbahnen sind Abschnitte von jeweiligen Zylindern, deren Radius R_Bahn größer ist als R_Meridian, so daß theoretisch Punktkontakt zwischen dem Rollenelement und den Führungsbahnseiten besteht und in der Praxis Kontakt über eine relativ kleine Fläche besteht, deren Mitte mit 43 bezeichnet ist. Die Beziehung zwischen R_Meridian und R_Bahn, die als "Konformität" zwischen ihnen bekannt ist, kann derart gewählt werden, daß R_Bahn geteilt durch R_Meridian größer als oder gleich 1,05, möglicherweise etwa 1,1 ist.

In Fig. 3 fällt auf, daß ein Abstand zwischen der äußeren Um fangsfläche des Rollenelements und der Seitenfläche 19a der Führungsbahn 18 dargestellt ist. Die Seite der Führungsbahn, an der der Abstand erscheint, hängt natürlich von der Richtung ab, in die das Gelenk Drehmoment überträgt. Herstellungstoleranzen machen es erforderlich, daß etwas Abstand verhanden sein sollte, so daß die Rollenelemente unter keinen Bedingungen der Gelenk beugung, die im Betrieb zu erwarten sind, in den Bahnen einge klemmt werden können.

Die Fig. 4 und 5 der Zeichnungen zeigen eine weitere Aus führung des erfindungsgemäßen Gelenks. Das zweite, innere, Ge lenkteil umfaßt wie das Gelenkinnenteil 20 in den Fig. 1 und 2 ein ringförmiges Bauteil 51 mit einer Keilnutenbohrung 52 und drei Zapfen 53, 54, 55, die sich von da nach außen hin erstrec ken. Die Zapfen tragen jeweils Rollenelemente 56, 57, 58. Die Rollenelemente sind beweglich auf ihren entsprechenden Zapfen in der gleichen Weise gehalten, wie oben in der Beschreibung der ersten Ausführung dargestellt ist.

Die Zapfen 53, 54, 55 haben jeweils Achsen 59, 60, 61, die nicht die Rotationsachse des Gelenkinnenteils, die mit 62 bezeichnet ist, schneiden, sondern von dieser beabstandet sind. Ferner sind die Achsen 59, 60, 61, wie in Fig. 5 zu sehen ist, relativ zu einer Ebene, die mit 63 bezeichnet ist, und die senkrecht zur Rotationsachse 62 des Gelenkinnenteils steht, geneigt.

In dieser Ausführung des Gelenks gleicht die Konfiguration der äußeren Umfangsfläche jedes Rollenelements 56, 57, 58 der oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 der Zeichnungen beschriebenen und die Seiten jeder Führungsbahn im Gelenkaußenteil müssen analog wie oben beschrieben geformt sein. Das Gelenkaußenteil hat die Bezugsziffer 65 in Fig. 4 der Zeichnungen und die drei Füh rungsbahnen darin sind mit den Ziffern 66, 67, 68 versehen. Die Ausrichtung der Führungsbahnen im Gelenkaußenteil, die dem Ver satz der Zapfenachsen des Gelenkinnenteils gegenüber der Rota tionsachse desselben entspricht, ist deutlich zu sehen.

In Fig. 1 sind die Zapfen des Gelenkinnenteils zum entgegenge setzten Ende der Welle hin geneigt dargestellt, die mit dem Gelenkinnenteil verbunden ist. Der Einfachheit halber wird dies nachfolgend als Rückwärtsneigung oder negativer Neigungswinkel zu der Ebene bezeichnet, die senkrecht zur Rotationsachse des Gelenkinnenteils steht. Alternativ könnten die Zapfen relativ zu dieser Fläche in entgegengesetzter Richtung geneigt sein, was nachfolgend als Vorwärtsneigung oder positiver Neigungswinkel genannt wird. Als Beispiel kann die Neigung in einem Bereich von -10° bis +10° liegen und Experimente haben gezeigt, daß ein besonders vorteilhaftes Ergebnis hinsichtlich der Verringerung der Axialkräfte dritter Ordnung, die beim Betrieb des Gelenks erzeugt werden, erzielt wird, wenn der Winkel der Zapfenneigung im Bereich von 8° bis 9°, insbesondere bei etwa 8,7° liegt.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung können die Achsen der Zapfen des Gelenkinnenteils zur Rotationsachse des Gelenk innenteils versetzt sein, wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben ist, wobei sie jedoch keine Neigung in Richtung relativ zu der Fläche aufweisen, die senkrecht zur Rotationsachse steht.

Wenn hier auf die Meridianform der äußeren Oberfläche der Rol lenelemente und auf die Querschnittsform der Führungsbahnseiten abschnitte Bezug genommen wird und sie als bogenförmig beschrieben werden, sollte klar sein, daß sie in der Praxis etwas von der exakten Bogenform abweichen können. Zum Beispiel könnten Kantenabschnitte der Rollenelemente angefast sein.

Claims

1. Tripodegleichlaufdrehgelenk, umfassend ein erstes Gelenk teil mit einer Rotationsachse und drei um seine Rotations achse umfangsverteilten und längsverlaufenden Führungs bahnen, ein zweites Gelenkteil mit einer Rotationsachse und drei Zapfen, die jeweils eine Zapfenachse aufweisen und sich in die Führungsbahnen des ersten Gelenkteils hineiner strecken, sowie je ein Rollenelement, das von jeweils einem Zapfen getragen wird, wobei jedes Rollenelement eine Rol lenelementachse aufweist sowie eine äußere Umfangsfläche hat, die eine auf die Rollenelementachse bezogene Rota tionsfläche ist und mit sich gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Führungsbahn des ersten Gelenkteils zusam menwirkt, wobei das Rollenelement auf dem entsprechenden Zapfen drehbar und längsbeweglich zur Zapfenachse gehalten ist und in der Lage ist, in seiner entsprechenden Führungs bahn zu kippen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfenachsen des zweiten Gelenkteils relativ zu einer Ebene geneigt sind, die senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Gelenkteils steht und/oder daß die Zapfenachsen gegenüber der Rotationsachse des zweiten Gelenkteils ver setzt sind, und daß die äußere Umfangsfläche jeden Rollen elements eine auf die Rollenelementachse bezogene Rota tionsfläche mit einer konvexen, im allgemeinen bogenförmi gen Kontur ist, deren Radius, der als Meridianradius des Rollenelements bezeichnet wird, größer ist als der größte Radius des Rollenelements um die Rollenelementachse, der als Äquatorialradius des Rollenelements bezeichnet wird.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meridianradius des Rollenelements etwa 1,5 mal so groß ist wie der Äquatorialradius des Rollenelements.

3. Gelenk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Führungsbahnseite, im Querschnitt längs zur Rota tionsachse des ersten Gelenkteils betrachtet, im allgemei nen bogenförmig ausgebildet ist, wobei der Krümmungsradius größer oder gleich dem 1,05-fachen des Meridianradius des Rollenelements ist.

4. Gelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Führungsbahnseiten das 1,1- fache des Meridianradius des Rollenelements beträgt.

5. Gelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Zapfen des zweiten Gelenkteils relativ zu der Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Gelenkteils steht, in einem Bereich von 8-9° liegt.

6. Gelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Neigung etwa 8,7° beträgt.