DE3318504C2 - Kreuzgelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk mit einem Joch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem US-PS 4 091 640 ist ein Kardangelenk mit einem Joch bekannt, bei wel­ chem das Joch direkt in einen kurzen zylindrischen Schaft mit Innenverzahnung übergeht, der auf eine Welle aufgekeilt ist.

Die US-PS 31 45 547 zeigt ein Joch, bei dem die Gabelarme entweder über eine Ausrundung und ein kurzes kegeliges Zwischenstück oder über ein zylindrisches Zwischenstück und eine Schulter in den Schaft übergehen. In der Druckschrift ist jedoch nichts darüber ausgesagt, ob durch ein zylindrisches Zwischenstück oder ein kegeliges Zwischenstück ein bestimmtes gewünschtes Festigkeitsverhalten erzielt werden kann.

Die US-PS 32 22 143 zeigt Universalgelenke, deren Gabelarme entweder direkt mit gleichem Durchmesser oder mit Auskehlungen in den jeweiligen Schaft übergehen.

Die Europäische Patentanmeldung 00 03 873 zeigt Kardangelenke, deren Gabelarme direkt in einen Flansch mit Innenverzahnung zur Verbindung mit einer Welle überge­ hen.

Die britische Patentschrift 918 242 beschreibt ein Kardangelenk, das mit der An­ triebswelle entweder mittels Schrauben verbunden ist oder das mit einer kegelförmi­ gen Innenverzahnung versehen ist, die mit einer kegelförmigen Außenverzahnung der Antriebswelle zusammenwirkt.

Schließlich betrifft die britische Patentschrift 15 78 336 ein Kardangelenk mit Gabelarmen, welche über Ausrundungen direkt in eine Rohrwelle übergehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kreuzgelenk aus Gußeisen zu schaffen, das die im Betrieb auftretenden Belastungen praktisch ebenso aufnehmen kann wie Kardangelenke oder Kreuzgelenke aus geschmiedetem Stahl. Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Merkmale im Kennzeichen des An­ spruchs 1.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 in Vorderansicht ein bekanntes Joch zeigt.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Joches nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Joch nach den Fig. 1 und 2.

Fig. 4 zeigt in Vorderansicht ein Joch nach der Erfindung.

Fig. 5 zeigt das Joch nach Fig. 4 in Seitenansicht.

Fig. 6 zeigt das Joch nach den Fig. 4 und 5 in Draufsicht.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen ein typisches Joch 10 aus geschmiedetem Stahl. Das Joch umfaßt einen zylindrischen Schaft 12 mit einer inneren Keilverzahnung 14, die sich axial durch den Schaft 12 erstreckt. Das Joch 10 hat eine Langsachse 18, um welche es drehbar ist. Der Schaft 12 dient zur Aufnahme einer nicht-gezeigten Welle, die eine passende Keil­ verzahnung hat, die in die Keilverzahnung 14 des Schaftes 12 eingreift und ein Drehmoment Übertragen kann, jedoch axial verschiebbar in dieser ist. Der Schaft 12 hat ein erstes Ende 17 mit einem Außengewinde zum Auf­ schrauben einer nicht-gezeigten Abdeckkappe, die gegenüber der Welle ab­ dichtet, wie bekannt. Der äußere, mittlere Abschnitt des Schaftes 12 hat äußere, zylindrische Flächen 19, die abgestuft ausgebildet sein können, wie dargestellt. Wenn einer der zylindrischen Abschnitte 19 einen kleineren Durchmesser hat als der andere, ist es gewöhnlich derjenige mit dem mit Gewinde versehenen Ende 17.

Entgegengesetzt zu dem Ende 17 hat das Joch zwei symmetrisch und radial im Abstand angeordnete Gabelarme 16. Jeder Gabelarm enthält eine Lagerbohrung 22 zur Aufnahme eines Kreuzgelenk-Lagerzapfens. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Außenflächen der Gabelarme 16 mit Gewindelöchern 23 zur Aufnahme von Deckelschrauben versehen, die einen äußeren Lagerring halten.

Die Gabelarme 16 sind mit dem Schaft 12 über einen Bügel 24 verbunden, der zwei Arme 26 aufweist, von denen je einer mit je einem Gabelarm 16 verbunden ist, ferner zwei Schultern 28, von denen je eine mit je einem Arm 26 verbunden ist, eine Oberfläche 48 angrenzend an die Schultern 28 und einen Übergangsbereich 50, der die Oberfläche 48 mit dem Schaft 12 verbindet. Der kegelförmige Übergangsbereich 50 bildet relativ zu der Achse 18 des Joches einen Winkel 52 von 60°. In der Oberfläche 48 ist ein mit Gewinde versehenes Schmierloch 51 zur Aufnahme eines Schmiernippels ausgebildet. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Breite 38 der Arme 26 kleiner als die Breite 39 der Gabelarme 16.

Jeder Gabelarm 16 hat eine innere Oberfläche 30 unmittelbar direkt unterhalb seiner entsprechenden Lagerbohrung 22. Der Abstand zwischen diesen Flächen 30 in einer Ebene senkrecht zur Achse 18 ist in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 34 bezeichnet. Der Biigel 24 definiert eine innere Oberfläche, welche die inneren Bügelflächen 32 umfaßt, von denen jede, von der jeweiligen Fläche 30 zu einem Boden 35 verläuft, der die beiden Flächen 32 verbindet. In der inneren Oberfläche des Bügels 24 sind ferner gegenüberliegende Nuten 43 ausgebildet, die symmetrisch im Ab­ stand zwischen den Gabelarmen 16 liegen. Die Nuten 43 bilden Entlastungsbereiche, um eine maximale Winkelstellung des Kreuz­ gelenkes zu ermöglichen, wie an sich bekannt. Der Boden 35 ist relativ eben und er enthält eine Ausgleichsbohrung 40, die dazu dient, das Joch 10 in Drehrichtung um die Achse 18 auszugleichen bzw. auszuwuchten. Im Boden 35 ist ferner eine Gegenbohrung 15 zur Aufnahme einer nicht-ge­ zeigten Abdeckkappe ausgebildet, welche die Verzahnung 14 gegen Staub und Schmutz schützt.

Die Flächen 32 haben zwischen den Flächen 30 und dem Boden 35 einen relativ kleinen Krümmungsradius 36. Der Radius 36 ist relativ klein, um einen möglichst großen, ebenen Boden 35 zu ermöglichen, zur Aus­ bildung von Ausgleichsbohrungen, wie z. B. die Bohrung 40. Ein großer Radius 36 wird vermieden wegen der Schwierigkeit der Ausbildung von Ausgleichsbohrungen in gekrümmten Flächen.

Die Oberfläche 48 ist zylindrisch und hat einen relativ großen Durch­ messer, um einen Abstand zwischen dem Schmiermittel und der Verzahnung 14 zu schaffen. Die Oberfläche 48 hat auch deswegen einen großen Durchmesser, weil es sich um einen stark beanspruchten Bereich handelt und weil infolge, der Bohrung 51 Probleme hinsichtlich der Beanspruchung, insbesondere Ermüdungsprobleme, auftreten. Dieser Bereich ist ferner hoch beansprucht, weil die zugehörige Welle gewöhnlich in diesem Bereich endigt und damit als Hebel direkt unter diesem Bereich wirkt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Wie Fig. 4 zeigt, umfaßt das Joch 110 einen hohlen Schaft 112 mit einer Keilverzahnung 114, und es ist drehbar um eine Längsachse 118. Der Schaft, hat äußere, zylindrische Oberflächen 119, von denen eine an ihrem Ende 117 mit einem Gewinde versehen ist.

Das Joch 110 hat zwei Gabelarme 116, jeder mit einer Lagerbohrung 122 und Gewindelöchern 123 für einen Deckel. Die Gabelarme 116 haben eine größere Dicke als die Gabelarme bei Jochen aus geschmiedetem Stahl, um ihnen zusätzliche Torsionsfestigkeit zu geben. Die Gabelarme sind mit dem Schaft über ein Zwischenstück 124 verbunden, das Arme 126, Schultern 128, einen zylindrischen Übergangsbereich 148 mit einer Schmieröffnung 151 und einen kegelförmigen Abschnitt 150 aufweist.

Der Abschnitt 150 bildet einen Winkel 152 von 15° relativ zur Achse 118 des Schaftes. Es wurde gefunden, daß durch einen mäßig geneigten Übergangsbereich, wie der Abschnitt 150, Spannungsspitzen, die im Übergangsbereich auftreten können, wesentlich eliminiert werden. Während eine Schräge von 15° bevorzugt wird, können Schrägungswinkel von bis zu etwa 45° als geeignet angesehen werden. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, daß der schwach abgeschrägte Abschnitt 150 einen idealen Bereich zum Gießen des Joches bietet.

Jeder Gabelarm 116 hat eine innere Oberfläche 130, unmittelbar und direkt unterhalb der Lagerbohrungen 122. Der Abstand zwischen diesen Flächen 130 in einer Ebene senkrecht zur Achse 118 ist mit 134 bezeichnet. Das Zwischenstück 124 hat eine Innenfläche, bestehend aus inneren Flächen 132, von denen jede sich von einer der Flächen 130 bis zu einem Boden 135 erstreckt, der die beiden Flächen 132 verbindet. Im Boden 135 ist eine Bohrung 115 zur Halterung einer nicht-gezeigten Abdeckkappe ausgebildet. In der inneren Oberfläche des Zwischstückes 124 sind ferner gegenüberliegende Aussparungen 143 ausgebildet, um einen maximalen Schwenkwinkel zwischen zwei zusammenwirkenden Jochen zu ermöglichen.

Der Krümmungsradius 136 der Flächen 132 zwischen den Flächen 130 und dem Boden 135 ist groß, er liegt etwa zwischen 20% und 50% des Abstandes 134. Ein großer Radius 136 verstärkt das Zwischenstück 124 und erhöht die Festigkeit der Verbindung zum Schaft. Er verbessert ferner die zentrifugale Steifig­ keit und die Ermüdungsfestigkeit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Radius 136 eine Größe von 24% des Abstandes 134. Wenn der Radius 136 gleich 50% des Abstandes 134 ist, bilden die Flächen 132 eine einzige gekrümmte Oberfläche zwischen den Bereichen 130. Ein Radius 136 von mehr als 50% des Abstandes 134 ist nicht erwünscht, weil er zu Ecken bzw. Kerben zwischen den Flächen 130 und 135 führen würde. Im Hin­ blick auf den großen Radius 136 ist ein relativ ebener eliptischer Bereich 141 (Fig. 6) für die Bohrung 115 für die Abdeckkappe vorge­ sehen.

Wie Fig. 5 zeigt, ist die Breite 138 der Arme 126 wenigstens so groß wie die Breite 139 der Gabelarme 116. Die große Breite 138 zusammen mit ihrer erhöhten Dicke steigert die radiale und die Torsionssteifig­ keit und sie hat einen Gabelarm 116 zur Folge, der Torsionskräfte besser aufnehmen kann. Die Erfindung ermöglicht somit die Verwendung von Gußeisen, insbesondere in großen Jochen, die bisher den auftretenden Belastungen nicht widerstehen konnten.

Eine Ausgleichsbohrung 140 ist in der Außenfläche 131 von einem der Gabelarme 116 ausgebildet. Die höhere Breite 138 der Arme 126 schafft einen ausreichenden Bereich für Ausgleichsbohrungen, ohne den Gabelarm unzulässig zu schwächen. Obwohl das spezifische Gewicht von Gußeisen nur etwa 99% von dem des geschmiedeten Stahls beträgt, ist die Aus­ gleichsbohrung 140 ebenso wirksam wie die Ausgleichsbohrung 40 im Boden des bekannten Joches, weil die Ausgleichsbohrung 140 einen größeren radialen Abstand von der Jochachse 118 hat.

Die Erfindung ermöglicht den Ersatz von geschmiedetem Stahl für das Joch 110 durch Gußeisen. Obwohl das gußeiserne Joch 110 massiver ist als die bisherigen Joche aus Schmiedestahl, ist sein Gewicht nicht höher als das der Stahl-Joche, eben weil das spezifische Gewicht des Gußeisens etwa 90% von demjenigen des Schmiedestahles beträgt. Das spezifische Gewicht von Gußeisen beträgt etwa 7,07 g/cm³, während das spezifische Gewicht von geschmiedetem Stahl etwa 7,82 g/cm³ beträgt. Das verwendete Gußeisen für das Joch 110 ist ein perlitisches duktiles Eisen (SAE Spezifikation Nr. 07003). Das Gußeisen hat eine Zugfestigkeit von etwa 70,2 kp/mm² und eine Streckgrenze von etwa 49,1 kp/mm². Sein Dehnungsfaktor liegt bei 3-5% und sein Elastizitäts­ modul beträgt etwa 1,54-1,68 × 10⁶ kp/cm². Das Material hat eine Rockwell­ härte von C20-30 und eine Brinellhärte von 229-285 BHN.

Claims (12)

1. Kreuzgelenk mit einem Joch, bestehend aus einem axialen Schaft mit Innen­ verzahnung zum Eingriff mit einer außen verzahnten Welle, zwei im Abstand (134) voneinander liegenden axialen Gabelarmen (116) mit je einer Lagerboh­ rung, deren Achsen fluchten und quer zur Achse des Schaftes verlaufen, sowie einem die beiden Gabelarme (116) mit dem Schaft (112) verbindenden Zwischenstück (124), dessen Innenflächen (132) ausgerundet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (136) der Innenflächen (132) zwischen 20% und 50% des Abstandes (134) beträgt, daß ferner das aus Gußeisen beste­ hende Joch (110) zwischen dem Zwischenstück (124) und dem Schaft (112) einen zylindrischen Übergangsbereich (148), dessen Durchmesser größer ist als der des Schaftes (112), sowie einen sich an den Übergangsbereich (148) anschließenden kegelförmigen Abschnitt (150) aufweist, der zur Achse (118) des Schaftes (112) einen Winkel (152) von weniger als 45° bildet und bis zum Außendurchmesser des Schaftes (112) verläuft.

2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (138) des Zwischenstücks (124) wenigstens gleich der Breite (139) der Gabelarme (116) ist.

3. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischen­ stück (124) eine Ausgleichsbohrung (140) ausgebildet ist.

4. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (152), den der kegelförmige Abschnitt (150) zur Achse (118) bildet, 15° beträgt.

5. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangs­ bereich (148) eine Schmieröffnung (151) aufweist.

6. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (110) aus einem perlitischen, duktilen Gußeisen besteht.

7. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (110) aus einem Gußeisen besteht, das eine Zugfestigkeit von etwa 702 N/mm² hat.

8. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen eine Streckgrenze von etwa 491 N/mm² hat.

9. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen einen Dehnungsfaktor von 3 bis 5% hat.

10. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen einen Elastizitätsmodul von etwa 154 bis 168 × 10⁶ N/mm² hat.

11. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen eine Rockwell-Härte von C20 bis 30 hat.

12. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen eine Brinell-Härte von 229 bis 285 hat.