Radnaben-Drehgelenk-Anordnung mit Stirnverzahnung und Radlagerung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung zum Verbinden des radseitigen Drehgelenks einer Seitenwelle eines Kraftfahrzeugs an die von einem fahrzeugseitigen Radträger aufgenommene Radnabe. Die Radnabe umfaßt hierbei einen Hülsenabschnitt zur Aufnahme einer Radlagerung, die ihrerseits im Radträger gehalten ist, und einen Radflansch zum Anschrauben eines Rades.

Aus der DE 36 36 243 A1 ist eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung bekannt, bei der die Radnabe einen Hülsenabschnitt mit einem Bördelbund aufweist, der einen Lagerinπenring der Radlagerung axial fixiert. An seinem dem Gleichlaufdrehgelenk zugewandten Ende hat der Bördelbund eine Stirnverzahnung, die mit einer entsprechend gegengleichen Stirnverzahnung am Gelenkaußenteil zur Drehmomentübertragung in Eingriff ist. Der Durchmesser der Stirnverzahnung soll somit unabhängig von der Lagergröße an die erforderliche Drehmomentkapazität angepaßt werden können. Um eine radial kompakte und somit leichtbauende Radlagerung zu erreichen, liegt die Radlagerung mit ihren Lagerkugeln radial etwa auf Höhe der Kugeln des Gleichlaufdrehgelenks.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radnaben-Drehgelenk- Anordnung vorzuschlagen, die eine verbesserte Drehsteifigkeit und Biegesteifigkeit bei gleichzeitig guter Axialverspannung aufweist.

Die Lösung liegt in einer Radnaben-Drehgelenk-Anordnung mit einer Drehachse A, umfassend

eine Radnabe mit einem Radflansch zum Anschließen eines Rades und einem Hülsenabschnitt; eine zweireihige Radlagerung zum drehbaren Lagern der Radnabe mit einem von der Radnabe separat ausgebildeten Lagerinnenring, der durch einen am Hülsenabschnitt ausgebildeten umgeformten Bund axial verspannt ist; ein Gleichlauf- drehgelenk mit einem Gelenkaußenteil, einem Gelenkinnenteil und drehmomentübertragenden Kugeln; wobei das Gelenkaußenteil an seinem der Radnabe zugewandten Ende eine erste Stirnverzahnung aufweist, die zur Drehmomentübertragung in eine am Bund des Hülsenabschnitts vorgesehene zweite Stimverzahnung drehfest eingreift; Verspannmittel zum axialen Verspannen der Radnabe mit dem Gelenkaußenteil, die einerseits an der Radnabe und andererseits am Gelenkaußenteil axial abgestützt sind; wobei das Verhältnis aus axialer Länge BL der Radlagerung und mittlerem Durchmesser Dv der Stirnverzahnung kleiner 0,63 ist, das heißt BJDv < 0,63.

Der Vorteil besteht darin, daß die Radlagerung in Bezug auf das Gleichlaufdrehgelenk insgesamt auf einem großen Durchmesser liegt. Der größere Durchmesser der Radlagerung bewirkt, daß mehr Lagerkugeln über dem Umfang Platz finden, so daß wiederum auf jede Lagerkugel geringere Kräfte einwirken. Der Durchmesser der Lagerkugel kann reduziert werden, so daß der Lageraußenring und der Lagerinnenring radial dünner gestaltet werden können. Das genannte Verhältnis zwischen der axialen Länge der Radlagerung zu dem mittleren Durchmesser der Stirnverzahnung ist besonders günstig, da sich hierdurch in Bezug auf den mittleren Durchmesser der Stirnverzahnung - bei gleichbleibender oder verbesserter Stützkraft der Radlagerung - eine axial relativ kurz bauende Radlagerung ergibt. Die gute Abstützung der Radlagerung führt zu einer längeren Lagerlebensdauer. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch der Hülsenabschnitt der Radnabe, der die Radlagerung trägt, einen großen Durchmesser und damit ein hohes Flächenträgheitsmoment aufweist. Insgesamt hat die erfindungsgemäße Radnaben-Drehgelenk-Anordnung somit eine hohe Torsionssteifigkeit und eine hohe Biegesteifigkeit. Die beim Betrieb auftretenden Verformungen können reduziert werden, was sich günstig auf das Geräuschverhalten auswirkt, bzw. zu einer höheren Drehmomentkapazität führt.

Vorzugsweise ist der Teilkreisdurchmesser TKD der Radlagerung größer als der Teilkreisdurchmesser PCD des Gelenkkugelsatzes. Weiterhin liegt der Lageraußen-

ring mit seinen äußeren Kugelrillen nach einer bevorzugten Ausgestaltung auf einem größeren Durchmesser als ein größter Durchmesser des Gelenkaußenteils. Dies wirkt sich positiv auf die Steifigkeit der Anordnung aus. Die Verspannmittel können entweder in Form eines massiven Bolzens oder in Form einer Hohlschraube gestaltet sein, der bzw. die in einer zentralen öffnung des Gelenkaußenteils axial fixiert ist.

Es ist besonders günstig, wenn das Verhältnis zwischen dem Teilkreisdurchmesser TKD der Radlagerung und dem mittleren Durchmesser Dv der Stirnverzahnung kleiner als 1 ,26 ist, das heißt TKD/Dv < 1 ,26. Dieses Verhältnis repräsentiert eine Kennzahl für die Drehmomentdurchleitung. Bei dem genannten Verhältnis erfolgt die Drehmomenteinleitung in die Radnabe radial relativ nah am Teilkreisdurchmesser der Radlagerung, so daß eine große Torsionssteifigkeit der Anordnung erreicht wird.

Weiterhin ist es günstig, wenn das Verhältnis aus Mittenabstand M _LV zwischen Lagermitte und Mittenebene der Stirnverzahnung einerseits und axialer Länge BL der Radlagerung andererseits kleiner 0,67 ist, das heißt M _LV /B _L < 0,67. Hierdurch ergibt sich ebenfalls eine Anbindung des Gelenks nahe an der Radlagerung. Dieses Verhältnis ist ein Maß für den Einfluß eventueller Fertigungsungenauigkeiten auf die Lager der Gelenkwelle bzw. des Gelenks.

Weiterhin ist es günstig, wenn das Verhältnis aus Mittenabstand MG _V zwischen der Mittenebene der Stirnverzahnung und der Gelenkmitte einerseits und Teilkreisdurchmesser PCD des Gelenkkugelsatzes andererseits kleiner 0,74 ist, das heißt MQ _V /PCD < 0,74. Hierdurch ergibt sich eine Anbindung des Gelenks nahe an der Verzahnungspaarung. Dieses Verhältnis ist ein Maß für den Einfluß eventueller Fertigungsungenauigkeiten auf die Lager der Gelenkwelle bzw. des Gelenks.

Weiterhin ist es günstig, wenn das Verhältnis zwischen radialer Erstreckung Bv und mittlerem Durchmesser Dv der Stirnverzahnung kleiner als 0,22 ist, das heißt Bv/D _v < 0,22. Hiermit wird eine axial relativ schmale Verzahnungspaarung erreicht, so daß die Stirnverzahnungen gleichmäßig über ihre gesamte Radialerstreckung tragen.

Weiterhin ist es günstig, wenn das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser Dv der Stirnverzahnung und dem Innendurchmesser D _B der Durchgangsöffnung kleiner als 1 ,5 ist, das heißt D _V /D _B < 1 ,5. Dieses Verhältnis stellt ein Maß für die Drehmomenteinleitung von dem Gelenkaußenteil in die Radnabe dar, wobei der genannte Bereich eine besonders hohe Torsionssteifigkeit bewirkt.

Bei Verwendung einer Hohlschraube als Verspannmittel ist es günstig, wenn das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser Dv der Stirnverzahnung einerseits und dem Durchmesser DG des Gewindes zwischen der Hohlschraube und dem Gelenkaußenteil andererseits kleiner als 1,6 ist, das heißt D _V /DG < 1 ,6. Dieses Verhältnis stellt ein Maß für die direkte Anbindung des Gleichlaufdrehgelenks an die Radnabe dar. Vorzugsweise ist das Verhältnis aus Innendurchmesser der Durchgangsöffnung einerseits und Durchmesser des Gewindes zwischen der Hohlschraube und dem Gelenkaußenteil andererseits kleiner als 1,2 ist, das heißt DB/DG < 1 ,2.

Weiterhin ist es günstig, wenn das Verhältnis aus Abstand M _L G zwischen der Gelenkmitte und der Lagermitte einerseits und der Summe aus Teilkreisdurchmesser PCD des Gelenkkugelsatzes und Länge der Radlagerung B _L kleiner 0,7 ist, das heißt (M _L GV(PCD + B _L ) < 0,7. Hierdurch wird ein kleiner Abstand zwischen dem Gleichlaufdrehgelenk und der Radlagerung erreicht, so daß der Gelenkmittelpunkt nah an der Spreizachse, um die das Rad bei Lenkbewegung geschwenkt wird, liegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt

Figur 1 eine erfindungsgemäße Radnaben-Drehgelenk-Anordnung in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt;

Figur 2 eine erfindungsgemäße Radnaben-Drehgelenk-Anordnung in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt;

Figur 3 die Verzahnungspaarung zwischen Gelenkaußenteil und Radnabe aus Figur 1 und Figur 2 als Detail im Längshalbschnitt

a) im unverspannten Zustand; b) im verspannten Zustand;

Figur 1 zeigt eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung, die eine Radnabe 11, ein Gleichlaufdrehgelenk 12 und eine Radlagerung 13 als Baugruppen umfaßt. Die Radnabe 11 weist einen Hülsenabschnitt 14 zur Aufnahme der Radlagerung 13 und einen Radflansch 15 zum Anschrauben der Radscheibe eines hier nicht dargestellten Rades auf. Der Hülsenabschnitt 14 bildet eine Durchgangsöffnung 16, durch die Verspannmittel 17 zum axialen Verspannen der Radnabe 11 mit dem Gleichlaufdrehgelenk 12 durchgesteckt sind.

Das Gleichlaufdrehgelenk 12 umfaßt ein Gelenkaußenteil 22 mit äußeren Kugelbahnen 24, ein Gelenkinnenteil 23 mit inneren Kugelbahnen 25, jeweils in einem Paar von einander gegenüberliegenden äußeren und inneren Kugelbahnen 24, 25 angeordnete drehmomentübertragende Kugeln 26 sowie einen die Kugeln 26 in der Winkelhalbierenden Ebene haltenden Kugelkäfig 27. Das hier gezeigte Gleichlaufdrehgelenk 12 ist als Festgelenk mit hinterschnittfreien gekrümmten Kugelbahnen 24, 25 gestaltet, wobei sich die Kugelbahnen 24, 25 von der Radnabe 11 weg in Richtung einer ersten öffnung 18 erweitern. Das Gelenkinnenteil 23 hat eine zentrale Bohrung 19 mit einer Längsverzahnung, in die eine hier nicht dargestellte Seitenwelle drehfest einzustecken ist. Das Gelenkaußenteil 22 hat weiter eine der ersten öffnung 18 entgegengesetzte radnabenseitige zweite öffnung 20 mit einem Innengewinde 21 , in die die Verspannmittel 17 eingreifen.

Die Verspannmittel 17 sind hier als Hohlschraube gestaltet und haben einen Ringflansch 28, der an einer radialen Stützfläche 41 der Radnabe 11 axial abgestützt ist und ein Außengewinde 29, das in das Innengewinde 21 des Gelenkaußenteils 22 eingedreht ist. Zum Eindrehen und axialen Verspannen der Radnabe 11 mit dem Gleichlaufdrehgelenk 12 hat die Hohlschraube 17 flanschseitig eine Keilwellenverzahnung 30, in die ein hier nicht dargestellter Schlüssel mit entsprechender Keilwellenverzahnung eingesteckt werden kann. Die Hohlschraube 17 weist gegenüber der Durchgangsöffnung 16 eine Spielpassung auf, so daß beim Herstellen der Axialverspannung keine zusätzlichen Torsionskräfte mit Ausnahme der Gewindekräfte auf

die Hohlschraube 17 nachteilig einwirken. In den Innenquerschnitt der Hohlschraube 17 ist nahe dem Außengewinde 29 ein Deckel 31 zur Abdichtung des Gleichlaufdrehgelenks 12 gegenüber der Umgebung eingesetzt. Wellenseitig wird das Gleichlaufdrehgelenk 12 üblicherweise mittels einer hier nicht dargestellten Faltenbalgan- ordnung abgedichtet.

Die Radlagerung 13 ist als Schrägkugellager gestaltet und umfaßt zwei Reihen von Lagerkugeln 32, 33, von denen die gelenkseitigen Lagerkugeln 32 in einem separaten Lagerinnenring 34 laufen, der durch einen nach außen umgeformten Bördelbund 35 des Hülsenabschnitts 14 axial gesichert ist. Die radnabenseitigen Lagerkugeln 33 laufen in einem Lagerinnenring 36, der an einer Außenfläche der Radnabe 11 gebildet ist. Die Radlagerung 13 umfaßt weiter einen gemeinsamen Lageraußenring 37, der beide Reihen von Lagerkugeln 32, 33 aufnimmt und in einen hier nicht dargestellten Radträger einzusetzen ist. Es ist ersichtlich, daß die Radlagerung 13 eine O- Konfiguration hat, wobei die Wirklinien der Lagerkugeln auf zueinander offenen Konusflächen liegen. Hieraus ergibt sich eine gute Abstützung von Biegemomenten, die an der Radnabe 11 angreifen.

Zur Drehmomentübertragung zwischen dem Gleichlauf drehgelenk 12 und der Radnabe 11 hat das Gelenkaußenteil 22 an einer die öffnung 20 außen umgebenden Stirnfläche eine erste Stirnverzahnung 38, die mit einer am Bördelbund 35 des Hülsenabschnitts 14 gebildeten gegengleichen zweiten Stirnverzahnung 39 unter axialer Vorspannung in Verzahnungseingriff ist. Zur axialen Vorspannung dient die Hohlschraube 17. Auf die Ausgestaltung der Stirnverzahnungen 38, 39 wird noch weiter unten detailliert eingegangen.

In Figur 1 sind weiter die charakteristischen Kenngrößen der erfindungsgemäßen Radnaben-Drehgelenk-Anordnung eingezeichnet, wobei die verwendeten Abkürzungen folgendes bedeuten

PCD Teilkreisdurchmesser des Gelenkkugelsatzes bei ungebeugtem Gelenk

(pitch circle diameter); TKD Teilkreisdurchmesser der Radlagerung;

B _L Breite der Radlagerung;

Bv radiale Erstreckung der Stirnverzahnung;

Dv mittlerer Verzahnungsdurchmesser der Stirnverzahnung;

DB Bohrungsdurchmesser der Durchgangsöffnung;

DG Gewindedurchmesser;

MLG Abstand zwischen der Mittenebene (E _L ) der Radlagerung zur Gelenkmittenebene (EG);

MLV Abstand der Mittenebene (E _L ) der Radlagerung zur Mittenebene (E _v ) der

Stirnverzahnung;

M _G v Abstand der Mittenebene (E _v ) der Stimverzahnung zur Gelenkmittenebene (EG);

Es ist ersichtlich, daß der Teilkreisdurchmesser TKD der Radlagerung 13 deutlich größer ist als der Teilkreisdurchmesser PCD des Gelenkkugelsatzes. Weiterhin liegt der Lageraußenring 37 mit seinen äußeren Kugelrillen 51 auf einem größeren Durchmesser als ein größter Durchmesser des Gelenkaußenteils 22. Insgesamt liegt die Radlagerung 13 in Bezug auf das Gleichlaufdrehgelenk 12 somit auf einem großen Durchmesser, so daß auch der Hülsenabschnitt 14 der Radnabe 11 , der die Radlagerung 13 trägt, einen großen Durchmesser hat. Hieraus ergibt sich für den Hülsenabschnitt 14 ein hohes Flächenträgheitsmoment, das zu einer hohen Torsi- onssteifigkeit und einer hohen Biegesteifigkeit der gesamten Anordnung führt. Dies bewirkt, daß die bei Betrieb auftretende Verformung reduziert wird, was sich günstig auf das Geräuschverhalten auswirkt, bzw. daß höhere Drehmomente übertragen werden können. Besonders günstige Größenverhältnisse der erfindungsgemäßen Radnaben-Drehgelenk-Anordnung sowie deren Vorteile wurden bereits in der obigen Beschreibung und in den Ansprüchen genannt, worauf insofern Bezug genommen wird.

Figur 2 zeigt eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung in einer zweiten Ausführungsform, die der Anordnung gemäß Figur 1 weitestgehend entspricht. Es wird daher auf obige Beschreibung Bezug genommen, wobei gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte Bauteile mit Bezugsziffern mit gestrichenen Indizes versehen sind. Im folgenden werden die Unterschiede erläutert. Das vorliegende Gleichlaufdrehgelenk

12' ist nach Art eines an sich bekannten VL-Gelenks gestaltet, das die Drehachse A kreuzende Kugelbahnen 24' aufweist. Ein weiterer Unterschied zur obigen Ausführungsform besteht in der axialen Verspannung des Gleichlaufgelenks 12' mit der Radnabe 11'. Vorliegend hat das Gelenkaußenteil 24' radnabenseitig einen Boden 48 mit einer zentralen öffnung 20' mit Innengewinde 21'. Die Verspannmittel 17' sind in Form eines Bolzens gestaltet, der mit einem Außengewinde 29' in das Innengewinde 21' des Gelenkaußenteils 24' eingeschraubt ist. Der Bolzen 17' ist radnabenseitig mit seinem Kopf 49 gegen eine Spannscheibe 50 axial abgestützt, die ihrerseits gegen die radiale Stützfläche 41 der Radnabe 11' abgestützt ist. Im übrigen entsprechen die bevorzugten Verhältnisse der dargestellten Kenngrößen - mit Ausnahme der auf die Hohlschraube bezogenen Kenngrößen - den obengenannten Verhältnissen, so daß sich für die vorliegende Radnaben-Drehgelenk-Anordnung dieselben Vorteile ergeben.

Unter Bezugnahme auf Figur 3 wird im folgenden die durch die beiden Stirnverzahnungen 38, 39 gebildete Verzahnungspaarung 40 der beiden obengenannten Radnaben-Gelenk-Anordnungen beschrieben. Die Zähne 42 der ersten Stirnverzahnung 38, die im folgenden als erste Zähne bezeichnet werden, und die Zähne 43 der zweiten Stirnverzahnung 39, die im folgenden als zweite Zähne bezeichnet werden, verlaufen radial zur Drehachse A. Die Stirnverzahnungen 38, 39 sind so gestaltet, daß die ersten und zweiten Zähne 42, 43 beim Verspannen der Anordnung zunächst radial außen und mit zunehmendem Verspannen auch radial innen miteinander in Anlage kommen. Aus Figur 3 a) geht hervor, daß sich Zahnkopflinien 44 und die Zahnfußlinien 45 der ersten Zähne 42 in einem ersten Schnittpunkt S1 auf der Drehachse A schneiden und daß sich die Zahnkopflinien 46 und die Zahnfußlinien 47 der zweiten Zähne 43 in einem zweiten Schnittpunkt S2 auf der Drehachse A schneiden. Dabei haben die beiden Schnittpunkte S1 , S2 bei beginnender Verspannung, die in Figur 3 a) gezeigt ist, einen axialen Abstand voneinander, der sich mit zunehmendem Verspannen verkleinert. In Figur 3 b) ist die Verzahnungspaarung 40 in vollständig axial verspanntem Zustand gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Zahnkopflinien 44 der ersten Stirnverzahnung 38 nunmehr parallel zu den Zahnfußlinien 47 der zweiten Stirnverzahnung 39 verlaufen, und daß die Zahnfußlinien 45 der ersten Stirnverzahnung 38 nunmehr parallel zu den Zahnkopflinien 46 der zweiten Stimverzahnung 39

verlaufen. Der Vorteil der genannten Ausgestaltung ist, daß die ersten und zweiten Zähne 42, 43 in axial verspanntem Zustand gleichmäßig über ihre gesamte Länge tragen. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Torsionssteifigkeit und Biegestei- figkeit zwischen dem Gleichlaufdrehgelenk 12 und der Radnabe 11.

Bezugszeichen liste

11 Radnabe

12 Gleichlaufdrehgelenk

13 Radlagerung

14 Hülsenabschnitt

15 Radflansch

16 Durchgangsöffnung

17 Verspannmittel

18 erste öffnung

19 Bohrung

20 zweite öffnung

21 Innengewinde

22 Gelenkaußenteil

23 Gelenkinnenteil

24 äußere Kugelbahn

25 innere Kugelbahn

26 Kugel

27 Kugelkäfig

28 Ringflansch

29 Außengewinde

30 Keilwellenverzahnung

31 Deckel

32 Lagerkugel

33 Lagerkugel

34 Lagerinnenring

Bördelbund

Lagerinnenring

Lageraußenring erste Stirnverzahnung zweite Stirnerverzahnung

Verzahnungspaarung

Stützfläche erster Zahn zweiter Zahn

Zahnkopflinie (erster Zahn)

Zahnfußlinie (erster Zahn)

Zahnkopflinie (zweiter Zahn)

Zahnfußlinie (zweiter Zahn)

Boden

Kopf

Spannscheibe

Drehachse