DE3321349A1

DE3321349A1 - Kreuzgelenk

Info

Publication number: DE3321349A1
Application number: DE3321349A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 5200 Siegburg Krude
Original assignee: Uni Cardan AG
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 1983-06-13
Filing date: 1983-06-13
Publication date: 1984-12-13
Also published as: DE3321349C2

Description

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Kreuzgelenk

Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk für Gelenkwellen, mit einem am Ende eines Übertragungsrohres in Gabelarmen schwenkbar gelagerten Zapfenkreuz, an welchem ein Abtriebskörper angelenkt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kreuzgelenkes .

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 aufgenommen werden können, ohne das sich diese auseinanderbiegen oder anderweitig verformen. Derartige Voraussetzungen sind bei aus Stahl bestehenden Kreuzgelenken bereits durch die Materialeigenschaften dieses Werkstoffes erfüllt.

Im Zuge der Gewichtseinsparung im Automobilbau ist man bestrebt, auch das Gewicht der Gelenkwellen zu verringern. In der DE-OS 28 18 167 ist eine Kreuzgelenkwelle

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vorgeschlagen worden, deren Übertragungsrohr aus faserverstärktem Kunstharz besteht und durch Wickeln von harzgetränkten Fasern auf einem Dorn hergestellt ist. Dabei ist das Rohrende fertig ausgebildet; nach Fertigstellung des Übertragungsrohres werden in den fertigen Enden Bohrungen für die Aufnahme der Lagerbuchsen gebildet. Durch die Lagerung des Zapfenkreuzes in dem verstärkten Rohrende können zwar einerseits materialbedingte Nachteile des faserverstärkten Kunststoffes gegenüber Stahl verringert werden, der das Zapfenkreuz aufnehmende Endteil der Rohrwelle muß jedoch andererseits einen so großen Durchmesser haben, daß sich der abtreibende gabelartige Übertragungsteil innerhalb des Rohres genügend frei bewegen kann, um einen ausreichend großen Beugungswinkel zu gewährleisten. Bei einer solchen Lösung ist daher ein Rohrdurchmesser erforderlich, welcher für die zu übertragenden Drehmomente an sich im allgemeinen nicht benötigt wird. Außerdem lassen sich die beiden Zapfenkreuz-Lagerpaare nicht optimal gestalten. Ferner werden die Abtriebsgabeln mit ihren Anschlußflanschen nur metallisch ausgebildet und verhindern deshalb eine Gewichtsreduzierung. Die in der Beschreibungseinleitung der DE-OS 28 18 167 erwähnte Lösung, eine Rohrwelle aus faserverstärktem Kunstharzmaterial mit Gelenkgabeln aus Stahl zu bestücken, ist allein schon infolge der Stahl/Kunstharz-Verbindung problematisch.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Kreuzgelenk für Gelenkwellen zu schaffen, bei welchem die vorgenannten Nachteile nicht nur vermieden werden, sondern insbesondere auch bei geringem Gelenk-Gewicht das Übertragen_größerer Drehmomente erlaubt, ohne daß unzulässige Dreh- und Biegeverformungen an den Übertragungsteilen auftreten. Dabei soll die Gewichts-Verringerung

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natürlich keine Einschränkung der Winkelbeweglichkeit des Gelenks zur Folge haben. Darüber hinaus soll auch ein Verfahren zum Herstellen eines Kreuzgelenkes geschaffen werden, welches diese Anforderungen erfüllt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Abtriebskörper als ein geschlossener Ringkörper mit mehreren Stegen aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, wobei in den Seitenstegen des Ringkörpers gegenüberliegende Bohrungen angeordnet sind und das Zapfenkreuz mit dem einen Zapfenpaar in den Bohrungen und mit dem anderen, durch die Ringöffnungen des nach außen ragenden Zapfenpaares in dem gabelartigen Rohrende gelagert ist. Im Gegensatz zum Lösungsvorschlag nach DE-OS 28 18 167 wird erfindungsgemäß auch der Abtriebskörper aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt; anstelle des üblichen Gabelkörpers wird ein geschlossener Ringkörper gebildet. Der Ringkörper läßt sich durch die Wickeltechnik nicht nur einfach und kostengünstiger als ein Gabelkörper·herstellen, sondern er hat gegenüber diesem auch eine erhöhe Stabilität hinsichtlich Verformungen infolge Übertragung 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 gegenüberliegend ausgebildeten Bohrungen dienen zur Aufnahme der Lagerbuchsen, in welchen ein Zapfenpaar des Zapfenkreuzes, z.B. auf Nadeln, gelagert ist.

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Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Faserverstärkung am Frontsteg aus unter einem Winkel öi - ^5° zur Querachse des Ringskörpers verlaufenden 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 Festigkeit erzielt. Zweckmäßigerweise sind im Ringkörper die- Einzelfasern oder Faserverbände in mehreren sich kreuzenden Lagen übereinander angeordnet. Der Kreuzungswinkel (i 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 übereinanderliegender 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 erreicht wird.

Zweckmäßigerweise sind die Einzelfasern oder Faserverbände an den in den Seitenstegen befindlichen Bohrungen umgelenkt. Hierdurch wird eine gute Einbindung der Lagerbuchsen und Kraftübertragung von den Lagerbuchsen durch die Seitenstege auf den als Flansch dienenden rückseitigen Steg erreicht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreuzgelenkes ist der rückseitige Steg des Ringkörpers als Flansch ausgebildet, an welchen ein weiterer Übertragungsteil angesetzt werden kann. Dabei führen die Fasern

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oder Faserverbände auch diesen Flansch. Die Flanschbohrungen können unter Umlenkung der Fasern bzw. der Faserverbände schon bei der Herstellung des Ringkörpers gebildet oder aber auch nach dem Fertigstellen des Ringkörpers gebohrt werden.

Vorzugsweise ist das gabelartige Rohrende mittels eines den lichten Innenraum des Ringkörpers zwischen dem Zapfenkreuz 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 die erhöhte Winkelbeweglichkeit des Gelenkes (im Vergleich zu der in der DE-OS 28 18 167 vorgeschlagenen Lagerung) durch Schwächen der Lagerkonstruktion erkauft. Diese Schwächung wird durch den Bügel kompensiert, welcher die Gabelarme gegen Biegung und Torsion versteift.

Das Verfahren zum Herstellen des Kreuzgelenkes kennzeichnet 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 "■&* - ^5° 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 Lagerbuchsen befestigt und ein Zapfenkreuz mit dem einen Zapfenpaar in die Lagerbuchsen und mit dem anderen Zapfenpaar in das gabelartige Rohrende einsetzt. Der Ringkörper

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kann in einer solchen Wickeltechnik einfach und kostengünstig hergestellt werden. Die Bohrungen zur Aufnahme der Lagerbuchsen werden schon bei der Herstellung gebildet, so daß die spätere Nachbearbeitung nur relativ gering 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 geeTgnete Faserwerkstoffe und Matrix-Harze sowie ein Faser-Lageplan ausgewählt werden, wobei dieser im allgemeinen 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 bestimmten Fällen können jedoch auch Stahldrähte und Polyamid-Fasern eingesetzt werden. Geeignete Matrix-Kunstharze sind Polyepoxyd- oder Polyesterharze.

Zweckmäßigerweise wickelt man die Fasern bzw. Faserverbände in mehreren sich kreuzenden Lagen übereinander. Der Kreuzungswinkel β übereinanderliegender Lagen im Frontsteg 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 besondere Verstärkung erfahren.

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Zweckmäßigerweise bildet man die Bohrungen in dem rückseitigen Flansch durch Umwickeln von entsprechenden Seitendornen oder durch Aufbohren nach dem Aushärten des Ringkörpers.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben, in welcher eine Ausführungsform des Kreuzgelenkes 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 Ringkörper, teilweise im Schnitt.

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

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In den Lagerbuchsen 7b ist das eine Zapfenpaar eines Zapfenkreuzes 14, z.B. mittels Nadellager, drehbar gelagert. Mit dem anderen, aus den Öffnungen 17 des Ringkörpers 4 herausragenden Zapfenpaar ist das Zapfenkreuz 14 mit angelenktem Ringkörper 4 in den Lagerbüchsen 7a angeordnet, welche ihrerseits in Bohrungen 5a der Gabelarme 5 angeordnet sind. Die Gabelarme 5 bilden das Ende 2 eines Übertragungsrohres 1. Die Lagerbuchsen 7a sind in der Bohrung 5a mittels Fixierungsmittel 8 festgelegt. Zwischen die Gabelarme 5 ist ein U-förmiger Bügel 6 eingeschoben, welcher mit den Außenflächen seiner Schenkel an den Innenflächen der Gabelarme 5 formschlüssig anliegt. Zugleich haben die Bügelschenkel seitlich offene Bohrungen 6a, mit welchen sie die Lagerbuchsen 7a bzw. die Fixierungsmittel teilweise umgreifen. Durch diesen Eingriff des Bügels 6 an den Armen 5 und den Lagerbuchsen 7a wird die Biege- und Torsionssteifigkeit der Arme 5 entsprechend 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 Winkelbeweglichkeit des Ringkörpers 4 um die Achse 10 möglichst wenig beeinträchtigt.

Aus den Fig. 1 und 2 ist der bevorzugte Verlauf der Faserverbände 15 ersichtlich. Der Wickelwinkel ¹^* , d.h. der Winkel, unter welchem die Faserverbände zur Wickelachse 10 aufgewickelt sind, beträgt bei dieser Ausführungsform im Bereich des Frontstegs 4b etwa 72°; demgemäß liegt der Kreuzungswinkel [i bei etwa 36°.

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Die Faserverbände 15 sind in den Seitenstegen am Rande der Bohrungen 9 umgelenkt. Dabei kann die Umlenkung gering sein, beispielsweise im Bereich von 0° bis 30°. Das Umlenken der Faserverbände kann aber auch über 18O° hinausgehen, so daß ein vom oberen Bereich des rückseitigen Stegs 4c kommender Roving in der Randzone der Bohrung 9 etwa um 270° umgelenkt und sodann in den unteren Bereich des Stegs Ic 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. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese Ausführungsform beschränkt. Der aus faserverstärktem Kunststoff bestehende ringförmige Abtriebskörper 4 kann auch bei nicht aus Kunststoff bestehenden Rohrwellen 1, eingesetzt werden, etwa bei solchen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1	Übertragungsrohr
2	Rohrende
3	Kreuzgelenk
4a	Seitenstege
4b	Frontsteg
4c	rückseitiger Steg
5	Gabelarme
5a	Bohrungen
6	Bügel
7a 1 7b J	Lagerbuchsen
8
9	Fixierungsmittel
10 )	Bohrungen
	Wickelachse
12 J	Längsachse des Ringkörpe
13	Querachse
14	Bohrungen
15	Zapfenkreuz
16	Fasern/Faserverbände
17	lichter Innenraum des Ringkörpers
Öffnungen des Ringkörpers

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Kreuzgelenk für Gelenkwellen, mit einem am Ende eines Übertragungsrohres in Gabelarmen schwenkbar gelagerten Zapfenkreuz, an welchem ein Abtriebskörper angelenkt ist,

dadurch gekennzeichnet,

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daß der Abtriebskörper als ein geschlossener Ringkörper (¹J) mit mehreren Stegen (¹Ia, ¹Jb, ¹Jc) aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, wobei in den Seitenstegen (¹Ja) des Ringkörpers (¹J) gegenüberliegende Bohrungen (9) angeordnet sind und das Zapfenkreuz (1¹J) mit dem einen Zapfenpaar in den Bohrungen (9) und mit dem anderen, durch die Ringöffnungen (17) nach außen ragenden Zapfenpaar in dem gabelartigen Rohrende (2) gelagert ist.
2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Faserverstärkung am Frontsteg (¹Jb) aus unter einem Winkele* = ^5° zur Querachse (12) des .Ringkörpers (¹J)^- verlaufenden Einzelfasern oder Faserverbänden (15) besteht.

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3. Kreuzgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einzelfasern oder Faserverbände (15) in mehreren, sich kreuzenden Lagen übereinander angeordnet sind.
4. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

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

daß der Ringkörper (4) im wesentlichen ein Viereck-Profil hat.
6. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der rückseitige Steg (^c) des Ringkörpers (4) als Flansch ausgebildet ist.

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7. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das gabelartige Rohrende (2) mittels eines den lichten Innenraum (16) des Ringkörpers (¹I) zwischen dem Zapfenkreuz (14) und dem rückseitigen Steg (¹Ic) durchgreifenden Bügel (6) versteift ist.
8. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das Übertragungsrohr (1) und das gabelartige Rohrende (2) einstückig aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
9. Kreuzgelenkwelle, deren Übertragungsrohr (1) an einem oder beiden Enden (2) mit einem Kreuzgelenk (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 versehen ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Kreuzgelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

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 unter einem Wickelwinkel f-=

zu einem Ringkörper 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

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den Ringkörper von dem Wickeldorn abzieht, in den von den Seitendornen gebildeten Bohrungen Lagerbuchsen befestigt und schließlich ein Zapfenkreuz mit dem einen Zapfenpaar in die Lagerbuchsen und mit dem anderen Zapfenpaar in das gabelartige Rohrende einsetzt.
11. Verfahren nach 10, dadurch gekennzeichnet,

daß man die Fasern bzw. Faserverbände in mehreren, sich kreuzenden Lagen übereinander wickelt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

daß man einen Teil der Fasern bzw. Faserverbände beim Aufwickeln an den Seitendornen umlenkt.

13· Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß man die Bohrungen im Flansch durch Umwickeln von Seitendornen oder durch Bohren nach dem Aushärten bildet.