DE3321349C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkhälfte aus Kunststoff für Kreuzgelenke mit in Öffnungen zweier Gabelarme gelagertem Zapfenkreuz. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Gelenkhälfte.

Bei Kreuzgelenkwellen für größere Belastungen müssen die das Zapfenkreuz lagernden Übertragungsteile so beschaffen sein, daß die bei der Drehmomentübertragung wirksamen Kräfte an den gabelartigen Übertragungsteilen sicher auf­ genommen werden können, ohne das sich diese auseinanderbie­ gen oder anderweitig verformen.

In der DE-OS 28 18 167 ist eine Kreuzgelenkwelle vorgeschla­ gen worden, deren Übertragungsrohr aus faserverstärktem Kunstharz besteht und durch Wickeln von harzgetränkten Fasern auf einem Dorn hergestellt ist. Dabei ist das Rohrende verdickt ausgebildet. Durch die Lagerung des Zapfenkreuzes in dem verstärkten Rohrende muß der das Zapfenkreuz aufnehmende Endteil der Rohrwelle jedoch einen so großen Durchmesser haben, daß sich der abtreibende ga­ belartige Übertragungsteil innerhalb des Rohres genügend frei bewegen kann, um einen ausreichend großen Beugungs­ winkel zu gewährleisten. Bei einer solchen Lösung ist daher ein Rohrdurchmesser erforderlich, welcher für die zu übertragenden Drehmomente an sich im allgemeinen nicht be­ nötigt wird.

Eine Kreuzgelenkwelle aus Kunststoff ist aus der FR 11 45 867 bekannt, wobei sowohl die Wellenenden als auch das Zapfenkreuz aus einem verformbaren elastischen Kunststoff wie Nylon bestehen. Hierbei wird das im wesentlichen kugelförmige Zapfenkreuz mit kurzen, auf Abflachungen stehenden Zapfen über abgeschrägte Gleitflächen zwischen die Gabelarme des jeweiligen Rohrendes eingeführt, wobei diese elastisch nachgeben, bis die Zapfenenden in entsprechende Bohrungen der Gabelarme einrasten. Allein aus der Art der Montage ist ersichtlich, daß es sich hierbei um ein Kreuzgelenk zur Übertragung nur begrenzter Drehmomente handelt, bei dem die Gabelarme bei höheren Drehmomenten sowohl radial als auch tangential zum Rohrkörper verformbar sind und wobei sich das Zapfenkreuz aufgrund elastischer Verformung aus den Gabelarmen lösen kann. Die aufgezeigte Konstruktion kann kein Vorbild für Kreuzgelenkwellen aus faserverstärktem Kunststoff zur Übertragung erhöhter Drehmomente sein.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkhälfte aus Kunststoff (Faserverbundwerkstoffen) zu schaffen, bei der Torsions- und Biegeverformungen der Gabelarme verringert werden, wobei in werkstoffgerechter Konstruktion die Gewichtsvorteile ausgeschöpft werden sollen. Dabei soll die Gewichtsverringerung keine Einschränkung der Winkelbeweglichkeit des Gelenks zur Folge haben. Darüber hinaus soll auch ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Kreuzgelenkes geschaffen werden, welches die Herstellung des erfindungsgemäßen Erzeugnisses in günstiger Weise ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Gelenkhälfte als ein in Richtung der Ge­ lenkachse geschlossener faserverstärkter Ringkörper ausgebildet ist, wobei die Gabelarme zu beiden axialen Seiten des Zapfenkreuzes durch Stege einstückig miteinander verbunden sind.

Der Ringkörper läßt sich durch die Wickeltechnik nicht nur einfach und kostengünstiger als ein Gabelkörper herstellen, sondern er hat gegenüber diesem auch eine erhöhte Stabilität hinsichtlich Verformungen infolge Über­ tragung höherer Drehmomente. Die Form des Ringkörpers kann entsprechend den jeweiligen räumlichen Gegebenheiten und den Anforderungen an die Winkelbeweglichkeit des Gelenks unterschiedlich sein: Bei einer Ausführungsform hat der Ringkörper im wesentlichen eine viereckige Form. Eine andere mögliche Ringform ist die einer Halbellipse. Die in den Seitenstegen des Ringkörpers einander gegenüberlie­ genden ausgebildeten Bohrungen dienen zur Aufnahme der Lagerbuchsen, in welchen ein Zapfenpaar des Zapfenkreuzes, z. B. auf Nadeln, gelagert ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be­ steht die Faserverstärkung am Frontsteg aus unter einem Winkel α≦45° zur Querachse des Ringkörpers verlau­ fenden Einzelfasern oder Faserverbänden (Rovings). Durch diese Faserlage am Frontsteg des Ringkörpers werden im Hinblick auf die spätere Beanspruchung, insbesondere die Beanspruchung auf Torsion um die Längsachse, höchste Fe­ stigkeit erzielt. Zweckmäßigerweise sind im Ringkörper die Einzelfasern oder Faserverbände in mehreren sich kreuzenden Lagen übereinander angeordnet. Der Kreuzungs­ winkel β ist dabei im allgemeinen kleiner als 90°. Beim Frontsteg liegt der Kreuzungswinkel β insbesondere im Bereich von 20° bis 60°, wenngleich an Stellen starker Faserumlenkung auch hiervon abweichende Kreuzungswinkel möglich sind. Das kreuzweise Anordnen übereinanderliegen­ der Faserlagen ist vor allem für die durch den Frontsteg des Ringkörpers laufenden Faserverbände notwendig, weil hierdurch eine gute Stabilisierung der Seitenstege gegen Verformungen unter Einwirkung starker Drehmomente er­ reicht wird.

Zweckmäßigerweise sind die Einzelfasern oder Faserverbän­ de an den in den Seitenstegen befindlichen Bohrungen um­ gelenkt. Hierdurch wird eine gute Einbindung der Lager­ buchsen und Kraftübertragung von den Lagerbuchsen durch die Seitenstege auf den als Flansch dienenden rückseiti­ gen Steg erreicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreuzgelenkes ist der rückseitige Steg des Ringkörpers als Flansch ausgebildet, an welchen ein weiterer Übertra­ gungsteil angesetzt werden kann. Dabei führen die Fasern oder Faserverbände auch diesen Flansch. Die Flanschboh­ rungen können unter Umlenkung der Fasern bzw. der Faser­ verbände schon bei der Herstellung des Ringkörpers gebil­ det oder aber auch nach dem Fertigstellen des Ringkörpers gebohrt werden.

Vorzugsweise ist das gabelartige Rohrende, das die andere Gelenkhälfte bildet, mittels eines den lichten Innenraum des Ringkörpers zwischen dem Zap­ fenkreuz und dem rückseitigen Steg durchgreifenden Bügel versteift. Beim Lagern des Zapfenkreuzes in gabelartigen Armen aus faserverstärktem Kunststoff an einem Ende oder an beiden Enden des Übertragungsrohres wird eine erhöhte Winkelbeweglichkeit des Gelenkes (im Vergleich zu der in der DE-OS 28 18 167 vorgeschlagenen Lagerung) erzielt, wobei ein Bügel die Gabelarme gegen Biegung und Torsion versteift.

Das Verfahren zum Herstellen des Kreuzgelenkes kennzeich­ net sich erfindungsgemäß dadurch, daß man auf einen Wickeldorn mit einem, dem lichten Innenraum des Ringkörpers entsprechenden Querschnitt und zwei einander gegenüberliegenden und entfernbaren Seitendornen, Fasern oder Faserverbände (Rovings) unter einem Wickelwinkel je γ≧45° zu einem Ringkörper aufwickelt, die Fasern oder Faserverbände vor, während oder nach dem Aufwickeln mit einem Kunstharz tränkt. Das Harz härtet sodann im Ringkörper aus, die Seitendorne werden entfernt und der Ringkörper vom Wickeldorn abgezogen. Schließlich werden in den von den Seitendornen gebildeten Bohrungen Lager­ buchsen befestigt und ein Zapfenkreuz mit dem einen Zap­ fenpaar in die Lagerbuchsen und mit dem anderen Zapfen­ paar in das gabelartige Rohrende eingesetzt. Der Ringkörper kann in einer solchen Wickeltechnik einfach und kosten­ günstig hergestellt werden. Die Bohrungen zur Aufnahme der Lagerbuchsen werden schon bei der Herstellung gebil­ det, so daß die spätere Nachbearbeitung nur relativ ge­ ring ist. Wenn der Ringkörper die bevorzugte viereckige Form hat, wird er auf einem entsprechenden Vierkantdorn gewickelt. Dabei lassen sich auf einem Dorn zugleich eine größere Anzahl von Ringkörpern herstellen. Entsprechend den späteren Beanspruchungen des Ringkörpers können ge­ eignete Faserwerkstoffe und Matrix-Harze sowie ein Fa­ ser-Lageplan ausgewählt werden, wobei dieser im allgemei­ nen für den jeweiligen Fall berechnet ist. Der Dorn ist für eine Vielzahl von Wicklungen wiederverwendbar und besteht z. B. aus verchromtem Stahl. Als Material für die Verstärkungsfasern bzw. Rovings kommen in erster Linie Glas, insbesondere das an Aluminiumoxyd und Magnesiumoxyd reiche S-Glas, oder Kohlenstoff in Betracht. In bestimm­ ten Fällen können jedoch auch Stahldrähte und Polyamid- Fasern eingesetzt werden. Geeignete Matrix-Kunstharze sind Polyepoxyd- oder Polyesterharze.

Zweckmäßigerweise wickelt man die Fasern bzw. Faserver­ bände in mehreren sich kreuzenden Lagen übereinander. Der Kreuzungswinkel β übereinanderliegender Lagen im Front­ steg liegt im allgemeinen im Bereich von 20° bis 60°. Es sind jedoch auch kleinere Kreuzungswinkel möglich. Um eine gute Kraftübertragung von den Lagerbuchsen über die Seitenstege auf den rückseitigen Flansch des Ringkörpers zu erreichen, lenkt man einen Teil der Fasern bzw. der Faserverbände beim Aufwickeln an den Seitendornen um, so daß die Raumzonen der entstehenden Bohrungen eine beson­ dere Verstärkung erfahren.

Zweckmäßigerweise bildet man die Bohrungen in dem rück­ seitigen Flansch durch Umwickeln von entsprechenden Sei­ tendornen oder durch Aufbohren nach dem Aushärten des Ringkörpers.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben, in welcher eine Ausführungsform des Kreuzge­ lenkes dargestellt ist. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des Kreuzgelenkes, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den im Gelenk nach den Fig. 1 und 2 eingesetzten Ring­ körper, teilweise im Schnitt.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform des Kreuzgelenkes 3 besteht der Abtriebskörper aus einem im wesentlichen viereckigen Ringkörper 4, wie insbesonde­ re die in Fig. 3 gezeigte Draufsicht erkennen läßt. Die Seitenstege 4 a enthalten zueinander fluchtende Bohrungen 9 für die Aufnahme der Lagerbuchsen 7 a. Die Seitenstege 4 a sind vorderseitig durch den Frontsteg 4 b und rücksei­ tig durch den als Flansch dienenden Steg 4 c verbunden. Der Steg 4 c enthält dabei zugleich Bohrungen 13 zum An­ schluß an ein weiteres Übertragungsteil.

In den Lagerbuchsen 7 b ist das eine Zapfenpaar eines Zap­ fenkreuzes 14, z. B. mittels Nadellager, drehbar gelagert. Mit dem anderen, aus den Öffnungen 17 des Ringkörpers 4 herausragenden Zapfenpaar ist das Zapfenkreuz 14 mit an­ gelenktem Ringkörper 4 in den Lagerbuchsen 7 a angeordnet, welche ihrerseits in Bohrungen 5 a der Gabelarme 5 ange­ ordnet sind. Die Gabelarme 5 bilden das Ende 2 eines Übertragungsrohres 1. Die Lagerbuchsen 7 a sind in der Bohrung 5 a mittels Fixierungsmittel 8 festgelegt. Zwi­ schen die Gabelarme 5 ist ein U-förmiger Bügel 6 einge­ schoben, welcher mit den Außenflächen seiner Schenkel an den Innenflächen der Gabelarme 5 formschlüssig anliegt. Zugleich haben die Bügelschenkel seitlich offene Bohrun­ gen 6 a, mit welchen sie die Lagerbuchsen 7 a bzw. die Fi­ xierungsmittel teilweise umgreifen. Durch diesen Eingriff des Bügels 6 an den Armen 5 und den Lagerbuchsen 7 a wird die Biege- und Torsionssteifigkeit der Arme 5 entspre­ chend verstärkt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, erstreckt sich der Bügel 6 durch den lichten Innenraum 16 und die Öffnungen 17 des Ringkörpers 4 hindurch; im Bereich des lichten Innenraums 16 ist er in seiner Breite reduziert, damit er die Win­ kelbeweglichkeit des Ringkörpers 4 um die Achse 10 mög­ lichst wenig beeinträchtigt.

Aus den Fig. 1 und 2 ist der bevorzugte Verlauf der Fa­ serverbände 15 ersichtlich. Der Wickelwinkel γ, d. h. der Winkel, unter welchem die Faserverbände zur Winkelachse 10 aufgewickelt sind, beträgt bei dieser Aus­ führungsform im Bereich des Frontstegs 4 b etwa 72°; dem­ gemäß liegt der Kreuzungswinkel β bei etwa 36°.

Die Faserverbände 15 sind in den Seitenstegen am Rande der Bohrungen 9 umgelenkt. Dabei kann die Umlenkung ge­ ring sein, beispielsweise im Bereich von 0° bis 30°. Das Umlenken der Faserverbände kann aber auch über 180° hin­ ausgehen, so daß ein vom oberen Bereich des rückseitigen Stegs 4 c kommender Roving in der Randzone der Bohrung 9 etwa um 270° umgelenkt und sodann in den unteren Bereich des Stegs 4 c zurückgeführt wird (Fig. 1).

Bei der dargestellten Ausführungsform des Kreuzgelenkes besteht außer dem Ringkörper 4 auch das Übertragungsrohr 1 mit dem gabelartigen Rohrende 2 aus faserverstärktem Kunststoff. Der aus faserverstärktem Kunststoff bestehende ringförmige Abtriebskörper 4 kann auch bei nicht aus Kunststoff bestehenden Rohrwellen 1, 2 eingesetzt werden, etwa bei solchen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Claims (8)

1. Gelenkhälfte aus Kunststoff für Kreuzgelenke mit in Öffnungen zweier Gabelarme gelagertem Zapfenkreuz, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkhälfte als ein in Richtung der Gelenkachse geschlossener faserverstärkter Ringkörper (4) ausgebil­ det ist, wobei die Gabelarme (4 a) zu beiden axialen Sei­ ten des Zapfenkreuzes (14) durch Stege ( 4 b, 4 c) einstüc­ kig miteinander verbunden sind.

2. Gelenkhälfte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverstärkung am Frontsteg (4 b) aus in der Projektion in axialer Richtung der Gelenkhälfte gesehen unter einem Winkel α≦45° zur Querachse (12) des Ring­ körpers (4) verlaufenden Einzelfasern oder Faserverbän­ den (15) besteht.

3. Gelenkhälfte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfasern oder Faserverbände (15) der Faser­ verstärkung in mehreren, sich kreuzenden Lagen überein­ ander angeordnet sind.

4. Gelenkhälfte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfasern oder Faserverbände (15) an den Öffnungen (9) umgelenkt sind.

5. Gelenkhälfte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (4 a, b, c) im Längsschnitt durch die Quer­ achse (12) des Ringkörpers (4) im wesentlichen ein Vier­ eck bilden.

6. Gelenkhälfte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rückseitige Steg (4 c) des Ringkörpers (4) als Flansch ausgebildet ist.

7. Gelenkwelle mit einer Gelenkhälfte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gelenkwelle mit einem gabelartigen Rohrende mit Öffnungen zur Aufnahme des Zapfenkreuzes versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gabelartige Rohrende (2) mittels eines den lichten Innenraum (16) des Ringkörpers (4) zwischen dem Zapfenkreuz (14) und dem rückseitigen Steg (4 c) durch­ greifenden Bügel (6) versteift ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer Gelenkhälfte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einen Wickeldorn mit einem dem lichten Innenraum des Ringkörpers entsprechenden Querschnitt und zwei einander gegenüberliegenden, entfernbaren Seitendornen Fasern oder Faserverbände zu einem Ring­ körper aufwickelt, die Fasern oder Faserverbände vor, während oder nach dem Aufwickeln mit einem ungehärteten Kunstharz tränkt, das Harz in dem Ringkörper aushärtet, die Seitendorne entfernt und dann den Ringkörper von dem Wickeldorn abzieht.