DE19811904A1

DE19811904A1 - Wellenkupplung

Info

Publication number: DE19811904A1
Application number: DE19811904A
Authority: DE
Inventors: Leland Nils Olgren
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1997-03-20
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1998-10-08
Also published as: JPH10267042A; IT1299384B1; ITRM980168A0; ITRM980168A1; JP2933592B2; US5730657A

Description

Diese Erfindung betrifft Gelenkwellenkupplungen.

Die U.S.-Patentschrift 1 429 980 beschreibt eine Gelenkwellenkupplung, die zwei Zahnräder an einander zugewandten Enden einer ersten Welle und einer zweiten Welle, um Drehmoment über einen Bereich von Ge lenkwinkeln zwischen der ersten und der zweiten Welle zu übertragen, und ein Halteelement umfaßt, das dazu dient, eine Trennung der Zahnrä der zu verhindern. Das Halteelement besteht aus zwei bogenförmigen Schalen, die so zusammengeklemmt sind, daß sie einen Käfig um die kämmenden Zahnräder bilden, und einem ringförmigen Flansch an dem Halteelement, der in eine ringförmige Nut in einer der Schalen gesetzt ist, um den Käfig geradlinig zu halten.

Eine erfindungsgemäße Gelenkwellen kupplung ist eine Verbesserung in bezug auf die Gelenkwellenkupplung, die in der vorstehend erwähnten U.S.-Patentschrift 1 429 980 beschrieben ist.

Diese Erfindung ist eine neue und verbesserte Gelenkwellenkupplung, umfassend ein erstes Zahnrad am Ende einer ersten Welle, ein zweites Zahnrad an einem Ende einer zweiten Welle, das mit dem ersten Zahnrad kämmt, eine rohrförmige Hülse um die kämmenden ersten und zweiten Zahnräder herum, ein Universaldrucklager zwischen der rohrförmigen Hülse und der ersten Welle und ein selbstsperrendes geradliniges Halte element zwischen der rohrförmigen Hülse und der zweiten Welle. Das selbstsperrende geradlinige Halteelement umfaßt eine zylindrische Buch se, die an der zweiten Welle angebracht ist, um sich gemeinsam mit dieser geradlinig zu bewegen, und die einen Durchmesser aufweist, der für eine enge Passung in der rohrförmigen Hülse berechnet ist, mehrere Fenster in der rohrförmigen Hülse und mehrere elastische Haken an der zylindri schen Buchse, die nach innen gebogen werden, wenn das Ende der zwei ten Welle, auf dem sich das zweite Zahnrad befindet, in die rohrförmige Hülse gesteckt wird, und die sich elastisch in die Fenster ausdehnen, um ein Verrücken der zweiten Welle aus der rohrförmigen Hülse zu verhin dern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die zylindrische Buch se Nasen auf, die sich nach innen in eine Nut in der zweiten Welle er strecken, und ist in Längsrichtung zur radialen Ausdehnung während des Einführens der Nasen in die Nut geteilt. Das Universaldrucklager umfaßt eine kugelförmige Schulter an der ersten Welle, einen Lagerring, der auf die kugelförmige Schulter gesetzt ist, eine ringförmige Scheibe, die auf mehrere Vertiefungen an der ringförmigen Hülse gesetzt ist und eine Fe der, die zwischen dem Lagerring und der Scheibe zusammengedrückt ist und gleichzeitig den Lagerring und die kugelförmige Schulter und das er ste und das zweite Zahnrad zusammendrückt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be schrieben, in dieser ist:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Gelenkwel lenkupplung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht, im allgemeinen entlang der durch die Linien 2-2 in Fig. 1 gezeigten Ebene genommen,

Fig. 3 eine Schnittansicht, im allgemeinen entlang der durch die Li nien 3-3 in Fig. 2 gezeigten Ebene genommen,

Fig. 4 ähnlich Fig. 3, die jedoch Bauteile der erfindungsgemäßen Gelenkwellenkupplung in unterschiedlichen Relativpositionen zeigt,

Fig. 5 eine Explosionsperspektivansicht der erfindungsgemäßen Ge lenkwellenkupplung,

Fig. 6 eine Ansicht, im allgemeinen entlang der durch die Linien 6-6 in Fig. 5 gezeigten Ebene genommen,

Fig. 7 eine Ansicht, im allgemeinen entlang der durch die Linien 7-7 in Fig. 5 gezeigten Ebene genommen, und

Fig. 8 eine Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Gelenkwel lenkupplung bei einer Anwendung einer Kraftfahrzeuglenk welle.

Wie es in den Fig. 1, 2 und 5-7 gezeigt ist, kuppelt eine erfindungsgemäße Gelenkwellenkupplung 10 eine erste Welle 12 und eine zweite Welle 14 aneinander, damit diese sich gemeinsam drehen und relativ zueinander gelenkig gelagert sind. Ein kugelförmiges Ende 16 an einem vergrößerten Kopf 18 der ersten Welle 12 ist einem flachen Ende 20 an der zweiten Welle zugewandt. Ein erstes Zahnrad 22 der Wellenkupplung 10 besteht aus mehreren keilförmigen Stirnradzähnen 24 an dem vergrößerten Kopf 18, die durch eine entsprechende Anzahl keilförmiger Mulden 26 getrennt sind, die sich durch das kugelförmige Ende 16 der ersten Welle öffnen. Die Zahnradzähne 24 und Mulden 26 laufen auf eine konkave Pfanne 28 in der Mitte des kugelförmigen Endes 16 der ersten Welle zu. Ein zweites Zahnrad 30 der Wellenkupplung 10 besteht aus mehreren keilförmigen Stirnradzähnen 32 an dem flachen Ende 20, die durch eine entsprechende Anzahl keilförmiger Mulden 34 getrennt sind, die sich durch das flache Ende 20 öffnen. Die Zahnradzähne 32 und Mulden 34 laufen auf einen konvexen Führungszapfen 36 in der Mitte des flachen Endes 20 der zwei ten Welle zu.

Das Kämmen zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad 22, 30 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradzähne 24 des ersten Zahnrades in jeweilige Mulden der Mulden 34 zwischen den Zahnradzähnen 32 des zweiten Zahnrades gesetzt sind, und umgekehrt, wobei der konvexe Füh rungszapfen 36 in die konkave Pfanne 28 gesetzt ist. In diesem Fall wirken die Zahnradzähne 24, 32 beim Übertragen vom Drehmoment zwischen der ersten und der zweiten Welle 12, 14 zusammen, wobei gleichzeitig derjeni ge Zwischenraum zwischen dem kugelförmigen Ende 16 der ersten Welle und dem flachen Ende 20 der zweiten Welle eine universelle gelenkige Be wegung, d. h. eine in jede Richtung gelenkige Bewegung, der ersten Welle relativ zur zweiten Welle um die zusammenfallenden geometrischen Mitten der konvexen Pfanne 28 und des konkaven Führungszapfens 36 herum ermöglicht.

Wie es am besten in den Fig. 2-5 zu sehen ist, ist eine rohrförmige Hülse 38 der Wellenkupplung 10, die ein erstes Ende 40 und ein zweites Ende 42 aufweist, um die erste und die zweite Welle 12, 14 herum angeordnet und überlappt das erste und das zweite Zahnrad 22, 30 in Richtung einer Längsmittellinie 44 der Wellenkupplung. Der Innendurchmesser D₁ der rohrförmigen Hülse 38 ist größer als die Durchmesser der ersten Welle 12, der zweiten Welle 14 und des vergrößerten Kopfes 18 an der ersten Welle für eine uneingeschränkte geradlinige Bewegung relativ zu der ersten und der zweiten Welle in Richtung der Mittellinie 44.

Ein Universaldrucklager 46 der Wellenkupplung 10 umfaßt mehrere Ver tiefungen 48 in der rohrförmigen Hülse 38 nahe bei ihrem zweiten Ende 42, eine ringförmige Scheibe 50 in der rohrförmigen Hülse, die auf die Vertiefungen gesetzt ist, einen Kunststofflagerring 52 und eine gewellte Feder 54, die zwischen dem Lagerring und der ringförmigen Scheibe zu sammengedrückt ist. Das Universaldrucklager 46 umfaßt ferner eine ku gelförmige Schulter 56 an dem vergrößerten Kopf 18 der ersten Welle, de ren geometrische Mitte mit der geometrischen Mitte der kugelförmigen Pfanne 28 zusammenfällt, und einen kugelförmigen Sitz 58 an dem Lager ring 52, welcher der kugelförmigen Schulter zugewandt ist.

Ein selbstsperrendes geradliniges Halteelement 60 der Wellenkupplung 10 umfaßt eine zylindrische Buchse 62 und mehrere Fenster 64 in der rohr förmigen Hülse 38. Die zylindrische Buchse 62 weist einen Außendurch messer D₂ auf, Fig. 3, der im wesentlichen dem Innendurchmesser D₁ der rohrförmigen Hülse entspricht, d. h. der so berechnet ist, daß er eine enge Passung in der rohrförmigen Hülse 38 erreicht, und umfaßt mehrere inte grale, radial nach innen vorspringende Nasen oder Vorsprünge 66 und mehrere integrale, radial nach außen vorspringende, elastische Haken 68. Jede der Nasen 66 sitzt in einer ringförmigen Nut 70 in der zweiten Welle 14, wobei ein Paar Seitenränder 72A, 72B der Nase einem entsprechenden Paar Seitenränder 74A, 74B der ringförmigen Nut zugewandt ist, wodurch die zylindrische Buchse an der zweiten Welle angebracht ist, so daß sie sich gemeinsam mit dieser geradlinig in Richtung der Mittellinie 44 bewe gen kann. Jeder der Haken 68 ist mit einem jeweiligen Fenster der Fenster 64 in der rohrförmigen Hülse 38 ausgerichtet, wobei ein distales Ende 76 jedes Hakens auf einem benachbarten Rand 78 des Fensters liegt, um ein Verrücken der zylindrischen Buchse 62 und der zweiten Welle 14 aus dem ersten Ende 40 der rohrförmigen Hülse zu verhindern.

Wie es am besten in Fig. 2 zu sehen ist, ist die geradlinige Spannweite D₃ der rohrförmigen Hülse 38 zwischen den Vertiefungen 48 und den Rän dern 78 der Fenster 64 so berechnet, daß sie ein geradliniges Zusammen drücken der gewellten Feder 54 bewirkt, wenn das erste und das zweite Zahnrad 22, 30 kämmen. In diesem Fall wird der Druck der gewellten Fe der durch den Lagerring 52 zur ersten Welle 12 und durch die rohrförmige Hülse 38 und die zylindrische Buchse 62 zur zweiten Welle 14 geleitet, wodurch das erste und das zweite Zahnrad elastisch in Richtung der Mit tellinie 44 zusammengedrückt werden. Ebenso wird der kugelförmige Sitz 58 des Lagerrings 52 gegen die kugelförmige Schulter 56 an der ersten Welle 12 gedrückt und arbeitet mit dieser zusammen, indem er eine uni verselle gelenkige Bewegung der ersten Welle relativ zu der rohrförmigen Hülse 38 um die geometrische Mitte der kugelförmigen Schulter 56 herum um einen Winkel von ungefähr ± 5° ermöglicht. Die zylindrische Buchse 62 hält eine geradlinige Ausrichtung zwischen der rohrförmigen Hülse und der zweiten Welle 14 aufrecht.

Wie es in den Fig. 3-5 gezeigt ist, wird die Wellenkupplung 10 zusammen gebaut, indem die ringförmige Scheibe 50, die gewellte Feder 54 und der Lagerring 52 in die rohrförmigen Hülse 38 eingesetzt werden und die Hül se geradlinig auf der ersten Welle 12 aus einer Position hinter dem vergrö ßerten Kopf 18 an der letzteren verschoben wird, bis der Lagerring auf der kugelförmigen Schulter 56 sitzt. In der zylindrischen Buchse 62 ist ein Längsspalt 80 vorgesehen, der gestattet, daß die Buchse bis zu einem Durchmesser elastisch ausgedehnt werden kann, Fig. 4, der ausreicht, damit die Nasen 66 über die Außenseite der zweiten Welle 14 vorbeitreten können, bis die Nasen eine Übereinstimmung mit der ringförmigen Nut 70 in der zweiten Welle erreichen und in diese hineinschnappen. Danach wird das flache Ende 20 der zweiten Welle 14 in das erste Ende 40 der rohrförmigen Hülse 38 gesteckt, bis das erste und das zweite Zahnrad 22, 30 kämmen, die gewellte Feder 54 wird zwischen der ringförmigen Scheibe 50 und dem Lagerring 52 zusammengedrückt, und die elastischen Haken 68 schnappen in die Fenster 64, um die zweite Welle automatisch in der rohrförmigen Hülse zu halten und dadurch eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad zu verhindern.

In Fig. 8 ist die erfindungsgemäße Wellenkupplung 10 so veranschaulicht, daß sie ein erstes Wellensegment 82 und ein zweites Wellensegment 84 einer Kraftfahrzeuglenkwelle 86 entsprechend jeweils mit der oben be schriebenen ersten bzw. zweiten Welle 12, 14 kuppelt, damit diese sich gemeinsam drehen und relativ zueinander universell gelenkig gelagert sind. Das zweite Wellensegment 84 ist durch eine Torsionsfeder 90 mit einem dritten Wellensegment 88 der Lenkwelle 86 verbunden. Ein von Hand zu bedienendes Lenkrad, nicht gezeigt, des Kraftfahrzeuges ist mit dem ersten Wellensegment verbunden, um sich gemeinsam mit diesem zu drehen. Das dritte Wellensegment ist durch ein herkömmliches Lenkge triebe mit lenkbaren Rädern, nicht gezeigt, des Kraftfahrzeuges verbun den. Eine auf das Lenkrad aufgebrachte manuelle Anstrengung wird durch die Wellensegmente 82, 84 und die Wellenkupplung 10 zu der Tor sionsfeder übertragen und verdreht die Torsionsfeder gegen den Wider stand der lenkbaren Räder, der durch das vorstehend erwähnte Lenkge triebe zu dem dritten Wellensegment 88 übertragen wird.

Eine elektrische Hilfskraftvorrichtung 92 des Kraftfahrzeuges umfaßt ein Gehäuse 94, an dem das zweite und das dritte Wellensegment 84, 88 durch zwei Kugellager 96A, 96B und ein Hülsenlager 98 drehbar gehalten sind. Ein Schneckenrad 100 ist starr an dem dritten Wellensegment 88 in einer Innenkammer 102 des Gehäuses 94 angebracht und kämmt mit ei ner Schnecke 104, die mit einer Ausgangswelle, nicht gezeigt, eines Elek tromotors an dem Gehäuse eines Drehzahlminderers, verbunden ist. Ein Transducer 106 in der Innenkammer 102 des Gehäuses des Drehzahlmin derers überlappt das zweite und das dritte Wellensegment 84, 88 und er zeugt ein elektronisches Signal, das dem Winkel einer relativen Drehung zwischen dem zweiten und dem dritten Wellensegment entspricht. Eine elektronische Steuerung, nicht gezeigt, schaltet den vorstehend erwähnten Elektromotor gemäß Signalen von dem Transducer 106 ein und aus. Das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors wird durch die Schnecke 104 und das Schneckenrad 100 auf die Lenkwelle 86 aufgebracht, um eine manuelle Anstrengung zu unterstützen, die auf das vorstehend erwähnte von Hand zu bedienende Lenkrad aufgebracht wird.

Die Lager 96A, 96B, 98 an dem Gehäuse 94 des Drehzahlminderers sind Lager mit relativ hoher Genauigkeit, um einen Signalfehler des Transdu cers zu minimieren, der auf einen Seitenrundlauffehler der Wellenseg mente 84, 88 zurückzuführen ist. Ein Lager, nicht gezeigt, zwischen einer Lenkwelle und dem ersten Wellensegment 82 fern von dem Gehäuse 94 des Drehzahlminderers weist zur Erleichterung des Anbaus der Lenkwelle an einer Lenksäule eine größere Herstellungstoleranz auf. Die erfindungs gemäße Wellenkupplung 10 ermöglicht eine gelenkige Bewegung mit ei nem kleinem Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenseg ment 82, 84, die auf Herstellungstoleranzunterschiede zwischen dem La ger, welches das erste Wellensegment 82 trägt, und den Lagern, die das zweite und das dritte Wellensegment 84, 88 tragen, zurückzuführen ist. Es ist wichtig, daß die automatische Halterung des zweiten Wellenseg ments 84 in der rohrförmigen Hülse der Wellenkupplung 10 mit Raten durchgeführt wird, die mit üblichen Verfahren einer Kraftfahrzeugher stellung mit hoher Stückzahl vereinbar sind.

Zusammengefaßt umfaßt eine Wellenkupplung 10 ein erstes Zahnrad 22 an einem Ende 16 einer ersten Welle 12, ein zweites Zahnrad 30 an einem Ende 20 einer zweiten Welle 14, das mit dem ersten Zahnrad kämmt, eine rohrförmige Hülse 38 um die kämmenden ersten und zweiten Zahnräder herum, ein Universaldrucklager 46 zwischen der rohrförmigen Hülse und der ersten Welle, und ein selbstsperrendes geradliniges Halteelement 60 zwischen der rohrförmigen Hülse und der zweiten Welle. Das selbstsper rende geradlinige Halteelement 60 umfaßt eine zylindrische Buchse 62, die an der zweiten Welle angebracht ist, mehrere Fenster 64 in der rohr förmigen Hülse, und mehrere elastische Haken 68 an der zylindrischen Buchse, die nach innen gebogen werden, wenn das Ende der zweiten Welle, auf dem sich das zweite Zahnrad befindet, in die rohrförmige Hülse gesteckt wird, und die sich elastisch in die Fenster ausdehnen, um ein Verrücken der zweiten Welle aus der rohrförmigen Hülse zu verhindern. Das Universaldrucklager 46 umfaßt eine kugelförmige Schulter 56 an der ersten Welle, einen Lagerring 52, der auf die kugelförmige Schulter gesetzt ist, eine ringförmige Scheibe 50, die auf mehrere Vertiefungen 48 an der rohrförmigen Hülse gesetzt ist, und eine Feder 54, die zwischen dem La gerring und der Scheibe zusammengedrückt ist und gleichzeitig den La gerring und die kugelförmige Schulter und das erste und das zweite Zahn rad zusammendrückt.

Claims

1. Wellenkupplung (10) zwischen einer ersten Welle (12) und einer zweiten Welle (14), umfassend:
eine konkave Pfanne (28) an einem Ende (16) der ersten Welle (12),
einen konvexen Führungszapfen (36) an einem Ende (20) der zwei ten Welle (14), der in die konkave Pfanne (28) gesetzt ist, so daß die erste Welle (12) mit der zweiten Welle verbunden ist und relativ zu dieser universell gelenkig gelagert ist,
ein erstes Zahnrad (22) an dem Ende (16) der ersten Welle (12) um die konkave Pfanne (28) herum,
ein zweites Zahnrad (30) an dem Ende (20) der zweiten Welle (14) um den konvexen Führungszapfen (36) herum, das mit dem ersten Zahnrad (22) kämmt, um zwischen der ersten und der zweiten Welle (12,14) Drehmoment zu übertragen und gleichzeitig eine relative gelenkige Lagerung zwischen diesen herzustellen,
eine rohrförmige Hülse (38), die an der ersten Welle (12) zur geradli nigen Bewegung in Richtung des ersten Zahnrades (22) gehalten ist,
ein Universaldrucklager (46) zwischen der rohrförmigen Hülse (38) und der ersten Welle (12), das dazu dient, eine geradlinige Bewe gung der rohrförmigen Hülse in eine Position, die deren Ende (16) und das erste Zahnrad (22) überlappt, zu begrenzen und eine uni verselle Schwenkbewegung der ersten Welle relativ zu der rohrför migen Hülse zu ermöglichen, und
ein Haltemittel (60-78) zwischen der zweiten Welle (14) und der rohrförmigen Hülse (38), das dazu dient, in Ansprechen auf das En de (20) der zweiten Welle und des zweiten Zahnrades (30), das in die rohrförmige Hülse in eine Position gesteckt ist, in der das erste Zahnrad (22) mit dem zweiten Zahnrad kämmt und der konvexe Führungszapfen (36) in der konkaven Pfanne (28) sitzt, automatisch ein Verrücken der zweiten Welle aus der rohrförmigen Hülse zu ver hindern und das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad in Richtung einer Längsmittellinie (44) der Wellenkupplung (10) elastisch zu sammenzudrücken.

2. Wellenkupplung (10) nach Anspruch 1, wobei das Universaldruckla ger (46) umfaßt:
eine ring- und kugelförmige Schulter (56) an der ersten Welle (12),
einen Lagerring (52) um die erste Welle (12) herum, der einen ku gelförmigen Sitz (58) aufweist, der mit der ring- und kugelförmigen Schulter (56) an der ersten Welle in Eingriff steht,
eine ringförmige Scheibe (50) um die erste Welle (12) herum, die auf der rohrförmigen Hülse (38) liegt, und
eine Feder (54), die zwischen der ringförmigen Scheibe (50) und dem Lagerring (52) zusammengedrückt ist, um die rohrförmige Hülse (38) und die erste Welle (12) in entgegengesetzte Richtungen parallel zur Längsmittellinie (44) der Wellenkupplung (10) zu drücken.

3. Wellenkupplung (10) nach Anspruch 2, wobei das Haltemittel (60-78) zwischen der zweiten Welle (14) und der rohrförmigen Hülse (38) umfaßt:
eine zylindrische Buchse (62) mit einem Durchmesser, der im we sentlichen dem Durchmesser der rohrförmigen Hülse (38) ent spricht,
ein Mittel (66, 70), das dazu dient, die zylindrische Buchse (62) an der zweiten Welle (14) zur gemeinsamen geradlinigen Bewegung mit der zweiten Welle anzubringen,
mehrere Fenster (64) in der rohrförmigen Hülse (38), und
mehrere nach außen vorspringende, elastische Haken (68) an der zylindrischen Buchse (62), die jeweils von der rohrförmigen Hülse (38) nach innen gebogen werden, wenn das Ende (20) der zweiten Welle (14) und des zweiten Zahnrades (30) in die rohrförmige Hülse gesteckt wird, und die durch sich selbst in eine Position vorge spannt sind, in der sie jeweils in ein entsprechendes Fenster der Fenster (64) in der rohrförmigen Hülse hineinragen, um an einem Rand (78) von diesem einzugreifen, wenn das erste Zahnrad (22) mit dem zweiten Zahnrad (30) kämmt und der konvexe Führungszapfen (36) in der konkaven Pfanne (28) sitzt.

4. Wellenkupplung (10) nach Anspruch 3, wobei das Mittel (66, 70), das dazu dient, die zylindrische Buchse (62) an der zweiten Welle (14) anzubringen, umfaßt:
eine ringförmige Nut (70) in der zweiten Welle (14) mit zwei Seiten rändern (74A, 74B),
mehrere nach innen vorspringende, integrale Nasen (66) an der zy lindrischen Buchse (62) in der ringförmigen Nut (70), die jeweils zwei Seitenränder (72A, 72B) aufweisen, die entsprechenden Seitenrän dern der beiden Seitenränder (74A, 74B) der ringförmigen Nut zuge wandt sind, und
einen Längsspalt (80) in der zylindrischen Buchse (62), der dazu dient, ein Ausdehnen der zylindrischen Buchse zu gestatten, um die integralen Nasen (66) in die ringförmige Nut (70) einzuführen.