DE4113944A1

DE4113944A1 - Homokinetisches universalgelenk

Info

Publication number: DE4113944A1
Application number: DE4113944A
Authority: DE
Inventors: Yukio Asahara; Haruo Nagatani; Takeshi Ikeda
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1991-05-01
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1992-11-12
Also published as: GB2255614A; FR2676517A1; GB2255614B; GB9109968D0; US5129860A; FR2676517B1

Description

Die Erfindung betrifft ein homokinetisches Universalgelenk zur Verwendung bei einem Kraftfahrzeug, und insbesondere ein homokinetisches Universalgelenk mit einem mit Führungsnuten versehenen Außenring und einem Dreiarmstern, der mit dem Außenring über Lagernadeln und Führungsrollen gekuppelt ist, die mit den Führungsnuten in Ein griff stehen.

Ein für Fahrzeuge mit Vorderradantrieb geeignetes, einen Dreiarmstern aufweisendes homokinetisches Universalgelenk ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht. Das Univer salgelenk weist einen Außenring 1 auf, in dessen Innenumfangsfläche drei axial verlau fende zylindrische Führungsnuten 2 ausgebildet sind. Zu dem Universalgelenk gehört ferner ein Dreiarmstern 3, der in dem Außenring gelagert ist und drei in die betreffen den Führungsnuten 2 hineinreichende, radiale Drehzapfen 4 aufweist, auf denen Füh rungsrollen 5 über Lagernadeln 8 drehbar gelagert sind. Die Außenumfangsfläche 5a jeder Führungsrolle 5 wird dabei mit den zylindrischen Rollenführungsflächen 2a zu beiden Seiten der Führungsnut 2 in Eingriff gehalten, um eine Drehmomentübertragung zwischen dem Außenring 1 und dem Dreiarmstern 3 zu erlauben.

Bei einem anderen mit Dreiarmstern ausgestatteten homokinetischen Universalgelenk, das den gleichen Grundaufbau wie das vorstehend erläuterte Universalgelenk hat und das in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, sind Führungsrollen 5 vorgesehen, die je weils eine Außenrolle 6 mit sphärischem Außenumfang und eine in die ringförmige Außenrolle 6 eingepaßte Innenrolle 7 aufweisen. Die sphärische Außenumfangsfläche der Außenrollen 6 steht mit den Führungsnuten 2 in Eingriff.

Bei den vorstehend erläuterten homokinetischen Universalgelenken haben die Lager nadeln 8 und die Führungsrollen 5 eine durch Polieren fertigbearbeitete Oberfläche.

Wenn bei dem in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten homokinetischen Universalgelenk die Führungsrollen 5 einer Last ausgesetzt werden, während sie sich auf den in dem Außenring 1 ausgebildeten Führungsnuten 2 abwälzen, muß die Last von den Lagerna deln 8 aufgefangen werden. Ist jedoch die Schmierung zwischen den Lagernadeln 8 und den Drehzapfen 4 und/oder zwischen den Lagernadeln 8 und den Führungsrollen 5 un zureichend, können die Führungsrollen 5 nicht glatt und leichtgängig abrollen. Dies kann dazu führen, daß die Führungsrollen 5 auf den Führungsflächen 2a der Führungs nuten 2 gleiten.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kommt es zu ähnli chen Effekten, wenn die Schmierung unzureichend wird, weil der Ölfilm zwischen den Innenrollen 7 und den Außenrollen 6, zwischen den Innenrollen 7 und den Lagerna deln 8 oder zwischen den Außenrollen 6 und den Führungsnuten 2 in dem Außenring 1 verschwindet. Die dann auftretende Gleit- oder Schlupfbewegung hat einen ungünstigen Einfluß auf die in dem homokinetischen Universalgelenk induzierte Schubkraft. Es kommt ferner zu unerwünschter Wärmeentwicklung.

Wenn ein Schlupf zwischen den Führungsrollen und den Führungsflächen der Füh rungsnuten auftritt, muß mit einem Verschleiß der Führungsrollen und/oder der Füh rungsflächen gerechnet werden; es kommt zu unerwünschter Wärmeentwicklung.

Es ist ferner bekannt, daß die Lebensdauer der Lagernadeln in einem Nadellager durch die Oberflächenrauheit der Wälzflächen stark beeinflußt wird. Bisher wurde angenom men, daß die Wälzfläche so glatt wie möglich fertigbearbeitet sein sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein homokinetisches Universalgelenk zu schaffen, das die Ausbildung eines ausreichenden Ölfilms auf den Lagernadeln und den Führungsrollen gewährleistet, so daß diese sich einwandfrei drehen und abwälzen, wo durch Verschleiß und Abplatzen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein homokinetisches Universalgelenk mit einem Außenring, in dessen Innenumfangsfläche drei axial verlaufende zylindrische Führungsnuten ausgebildet sind, einem Dreiarmstern, der in dem Außenring gelagert ist und drei Drehzapfen aufweist, die sich radial erstrecken und in die betreffenden Füh rungsnuten hineinreichen, um die Drehzapfen herum angeordneten Lagernadeln und auf jedem der Drehzapfen und den Lagernadeln gelagerten Führungsrollen, die mit den betreffenden Führungsnuten in Eingriff stehen, wobei die Lagernadeln und/oder jede Führungsrolle in ihrer Oberfläche mit einer Mehrzahl von winzigen, willkürlich verteil ten Ausnehmungen derart versehen sind, daß das Verhältnis RMS(L)/RMS(C) nicht größer als 1,0 ist, wobei RMS(L) und RMS(C) Oberflächenrauheitswerte in Längs- bzw. Umfangsrichtung sind, und daß der einen weiteren Oberflächenrauheitsparameter dar stellende SK-Wert nicht mehr als -1,5 beträgt.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß die Lebensdauer da durch verlängert werden kann, daß die Wälzflächen nicht glatt fertigbearbeitet sind.

Bei dem homokinetischen Universalgelenk nach der Erfindung ist die Ausbildung des Ölfilms auf den Lagernadeln und den Führungsrollen verbessert. Diese Bauteile können sich leichter drehen, und sie haben eine erhöhte Verschleißfestigkeit. Es kommt zu ver ringertem Schlupf und damit zu einer Herabsetzung des Wärmeaufbaus. Auch das Ab platzen kann auf ein Minimum reduziert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein homokinetisches Universalgelenk ent sprechend einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilquerschnitt des Universalgelenks nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt eines homokinetischen Universalgelenks gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 in größerem Maßstab einen Teilquerschnitt des Universalgelenks ge mäß Fig. 3,

Fig. 5 in größerem Maßstab eine graphische Darstellung der Oberflächen rauheit der rauhen Oberfläche,

Fig. 6 einen Schnitt durch ein für den Lebensdauertest verwendetes Nadella ger,

Fig. 7 eine schematische Ansicht der verwendeten Testvorrichtung,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Ergebnisse des Lebensdauertests, so wie

Fig. 9 und 10 graphische Darstellungen der Ergebnisse von Dauerversuchen.

Der grundsätzliche Aufbau eines homokinetischen Universalgelenks mit Dreiarmstern ist in den Fig. 1 und 2 sowie den Fig. 3 und 4 veranschaulicht.

Erfindungsgemäß haben die Lagernadeln 8 und/oder die Führungsrollen 5 eine rauhe Oberfläche, in der winzige Ausnehmungen willkürlich verteilt angeordnet sind.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weisen die Lager nadeln 8 oder die Innenrolle 7 oder die Außenrolle 6 oder die Außenrolle 6 und die In nenrolle 7 eine rauhe Oberfläche mit willkürlich verteilten winzigen Ausnehmungen auf.

Die rauhe Oberfläche sollte eine Rauhigkeit haben, die so gewählt ist, daß das Verhält nis RMS(L)/RMS(C) nicht mehr als 1,0 und vorzugsweise 0,7 bis 1,0 beträgt, wobei RMS(L) der quadratische Rauhtiefenmittelwert in Längsrichtung und RMS(C) der quadratische Rauhtiefenmittelwert in Umfangsrichtung ist. Ferner sollte der SK-Wert, ein weiterer Parameter für die Oberflächenrauheit, sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung nicht größer als -1,5 sein.

Der SK-Wert repräsentiert die Schiefe der Verteilungskurve der Oberflächenrauheit. Bei einer symmetrischen Verteilung, beispielsweise einer Gaus′schen Verteilung, ist der SK-Wert gleich Null. Um die Ausbildung eines ausreichenden Ölfilms zu gewährleisten, sollte vorliegend der SK-Wert in Umfangsrichtung und in Längsrichtung nicht größer als -1,5 sein. Bei Einhaltung dieses Wertebereichs sind die Form und die Verteilung der Ausnehmungen für die Ausbildung eines Ölfilms besonders günstig.

Die vorliegend erläuterte rauhe Oberfläche kann insbesondere durch Trommeln oder Abziehen hergestellt werden.

Fig. 5 zeigt im Schnitt die Rauheit der rauhen Oberfläche. Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, daß die rauhe Oberfläche nur durch Vertiefungen gekennzeichnet ist, und daß über die Ebene der Oberfläche keine Vorsprünge vorragen.

Die Lauffläche für die Lagernadeln 8, d. h. die Innenumfangsflächen der Führungsrol len 5 und die Außenumfangsflächen der Lagerzapfen 4, werden durch Schleifen fertigbearbeitet. Die Fertigbearbeitung der Führungsnuten 2 in dem Außenring 1 erfolgt durch Kaltschmieden.

Jede der winzigen Ausnehmungen in der rauhen Oberfläche sollte eine mittlere Fläche von 35 bis 150 µm² haben, wobei dieser Wert so errechnet ist, daß Ausnehmungen mit einem Durchmesser von weniger als 3 µm unberücksichtigt bleiben. Das Verhältnis der Summe der Fläche der Ausnehmungen zu der Gesamtoberfläche sollte 10 bis 40% be tragen.

Eine quantitative Messung der winzigen Ausnehmungen kann erfolgen, indem die rauhe Oberfläche vergrößert wird und die vergrößerte Abbildung unter Verwendung eines handelsüblichen Bildanalysators analysiert wird.

Bei der Analyse einer betreffenden Abbildung werden weiße und schwarze Teile als fla che Teile bzw. winzige Ausnehmungen erfaßt. Wird ein Bildanalysator verwendet, wer den die Hell- und Schattenbereiche des Originalbildes durch Verwendung eines ent sprechenden Filters übertrieben dargestellt, und sehr kleine schwarze Flächen entspre chend einem Durchmesser von 3 µm oder weniger werden durch Verwendung eines Rauschunterdrückers unterdrückt. Die nach einer solchen Unterdrückung verbleiben den winzigen Ausnehmungen werden dann auf ihre Größe und Verteilung überprüft, und das Verhältnis zwischen der Fläche der winzigen Ausnehmungen und der Gesamt oberflächenausdehnung wird ermittelt, um auf diese Weise die Wälzfläche der Wälz körper zu erfassen.

Die Dauerhaftigkeitstests wurden bei einem konventionellen Nadellager durchgeführt, bei dem die Oberflächen des Innenrings (oder der mit den Nadeln zusammenwirkenden Welle) sowie der Lagernadeln mit einem Superfinish versehen waren, sowie mit einem erfindungsgemäßen Nadellager, bei dem die Oberfläche des Innenringes (oder der mit den Lagernadeln zusammenwirkenden Welle) durch Schleifen fertigbearbeitet war, während die Oberflächen der Lagernadeln aufgerauht waren, indem willkürlich verteilte winzige Ausnehmungen ausgebildet wurden.

Die mit Superfinish versehenen Oberflächen des Innenringes und der Lagernadeln hat ten eine Rauhtiefe Rmax: von nicht mehr als 0,4 µm, während die mit winzigen, willkür lich verteilten Ausnehmungen versehene rauhe Oberfläche eine Rauhtiefe Rmax von 2 µm hatte und die Rauhtiefe Rmax der geschliffenen Oberfläche des Innenringes 2 bis 4 µm betrug.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, hatten die bei dem Lebensdauertest verwendeten Nadellager einen Außendurchmesser Dr von 38 mm und einen Innendurchmesser dr von 28 mm. Es waren 14 mittels eines Käfigs abgestützte Wälzkörper vorhanden, von denen jeder einen Durchmesser D von 5 mm und eine Länge L von 13 mm hatte.

Die benutzte Testvorrichtung war ein Radiallasttestgerät 21 der in Fig. 7 schematisch veranschaulichten Art. Zu prüfende Lager X wurden an beiden Seiten einer rotierenden Welle 22 angeordnet und unter Last gedreht.

Die Versuchsbedingungen waren wie folgt gewählt:

Druck auf die Wälzkörperoberfläche:\|2,8 GPa
Drehzahl:	3050 Umdrehungen pro Minute
Schmiermittel:	Turbinenöl

Fig. 8 zeigt die Ergebnisse des Lebensdauertests, der für die Lagernadeln jedes Ver suchslagers unter den oben genannten Bedingungen durchgeführt wurde.

Aus den Versuchsergebnissen folgt, daß die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls bei dem bekannten Nadellager 10% nach 380 Stunden erreichte, während im Falle des Nadella gers mit rauher Oberfläche der Wahrscheinlichkeitswert von 10% für einen Ausfall erst nach 840 Stunden gegeben war. Das erfindungsgemäße Lager hat infolgedessen eine be trächtlich längere Lebensdauer.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis zwischen den winzigen Ausnehmun gen und der Lebensdauer, während in Fig. 10 die Beziehung zwischen der mittleren Flä che der winzigen Ausnehmungen und der Lebensdauer veranschaulicht ist.

Die Ergebnisse lassen erkennen, daß dann, wenn das Flächenverhältnis 10% oder mehr beträgt und die mittlere Fläche bei 35 µm² oder mehr liegt, die Lebensdauer des Lagers zunimmt.

Wenn das Flächenverhältnis 40% oder mehr beträgt und die mittlere Fläche bei 150 µm² oder mehr liegt, ist keine nennenswerte Wirkung auf die Lebensdauer zu erwarten, weil die effektive Kontaktfläche verringert ist. Die spezielle Oberfläche ist vorzugsweise in einem Zustand zu halten, der Beständigkeit gegenüber Gleitreibung bietet, einem Fressen vorbeugt und für eine hohe Lebensdauer im Wälzbetrieb sorgt.

Die oben erwähnten Versuche wurden bei mit winzigen Ausnehmungen versehenen Wälzkörpern von Nadellagern durchgeführt. Ahnliche Effekte bezüglich der Dauerhaf tigkeit ergaben sich auch bei Führungsrollen, bei denen die Innen- oder Außenringe und die Wälzkörper mit winzigen Ausnehmungen versehen waren.

Ein homokinetisches Universalgelenk mit erfindungsgemäß behandelten Lagernadeln und ein bekanntes homokinetisches Universalgelenk wurden ferner einem zyklischen Dauerhaftigkeitstest unterzogen, um die mittlere Verschleißtiefe und die Anzahl von Abplatzerscheinungen an den Führungsflächen 2a der Führungsnuten 2 des Außenrin ges 1 zu messen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Die Versuchsergebnisse lassen erkennen, daß bei dem erfindungsgemäßen homokineti schen Universalgelenk die Verschleißtiefe und die Anzahl der Abplatzerscheinungen auf die Hälfte bzw. auf ein Sechstel im Vergleich zu dem bekannten Universalgelenk herabgesetzt waren.

Sodann wurden ein homokinetisches Universalgelenk mit Führungsrollen, deren Oberflächen in der erfindungsgemäßen Weise behandelt waren und ein bekanntes ho mokinetisches Gelenk einem zyklischen Dauerhaftigkeitstest unterzogen, um die mitt lere Verschleißtiefe und die Anzahl der Abplatzerscheinungen an den Führungsflä chen 2a der Führungsnuten 2 im Außenring 1 zu messen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.

Wie aus den Versuchsergebnissen zu erkennen ist, sind bei dem homokinetischen Uni versalgelenk nach der vorliegenden Erfindung die Verschleißtiefe und die Anzahl der Abplatzerscheinungen auf die Hälfte bzw. auf ein Fünftel im Vergleich zu dem bekann ten Universalgelenk vermindert.

Tabelle 2

Claims

1. Homokinetisches Universalgelenk mit einem Außenring (1), in dessen Innenum fangsfläche drei axial verlaufende zylindrische Führungsnuten (2) ausgebildet sind, einem Dreiarmstern (3), der in dem Außenring gelagert ist und drei Drehzapfen (4) aufweist, die sich radial erstrecken und in die betreffenden Führungsnuten hinein reichen, um die Drehzapfen herum angeordneten Lägernadeln (8) und auf jedem der Drehzapfen und den Lägernadeln gelagerten Führungsrollen (5), die mit den betreffenden Führungsnuten in Eingriff stehen, wobei die Lagernadeln und/oder jede Führungsrolle in ihrer Oberfläche mit einer Mehrzahl von winzigen, willkürlich verteilten Ausnehmungen derart versehen sind, daß das Verhältnis RMS(L)/RMS(C) nicht größer als 1,0 ist, wobei RMS(L) und RMS(C) Oberflä chenrauheitswerte in Längs- bzw. Umfangsrichtung sind, und daß der einen weite ren Oberflächenrauheitsparameter darstellende SK-Wert nicht mehr als -1,5 be trägt.

2. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der winzigen Ausnehmungen zu der Gesamtfläche zwischen 10 und 40% liegt.

3. Homokinetisches Universalgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die winzigen Ausnehmungen eine mittlere Fläche von 35 bis 150 µm² ha ben.

4. Homokinetisches Universalgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Führungsrollen (5) jeweils eine Außenrolle (6) und eine Innenrolle (7) aufweisen.