Bezeichnung der Erfindung

Wellenkupplung zur Drehmomentübertragung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung zur Drehmomentübertragung, die ein im Wesentlichen rohrförmiges äußeres Wellenteil und ein in diesem axial verschieblich gelagertes inneres Wellenteil umfasst.

Hintergrund der Erfindung

Eine Wellenkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 31 24 927 A1 bekannt. Diese aus einem Innenteil und einer dieses umgebenden Außenhülse bestehende Wellenkupplung weist mehrere axial verlaufende Rillen auf, in denen Kugeln abrollen. Zur Ausschaltung von Spiel sind in der Bohrung der Außenhülse eine der Anzahl der über den Umfang verteilten Kugelreihen entsprechende Anzahl von Platten angeordnet, wobei sich jede Kugel auf zwei benachbarten, einen stumpfen Winkel einschließenden Platten abstützt und die Platten an der Innenwandung der Außenhülse angefedert sind. Somit drücken sämtliche Platten mit Vorspannung gegen die Kugeln. Die Platten beanspruchen in der Wellenkupplung in unvermeidlicher Weise radialen Bauraum.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenkupplung zur Drehmomentübertragung anzugeben, welche bei zumindest nahezu spielfreier Lage- rung eines axial verschieblichen inneren Wellenteils in einem äußeren Wellenteil einen besonders kompakten Aufbau aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wellenkupplung zur Drehmomentübertragung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Wellenkupplung weist zwischen einem inneren und einem äußeren Wellenteil der Linearlagerung dienende Wälzkörper auf, so dass die Wellenteile axial gegenein- ander verschieblich sind. Das innere Wellenteil sowie das äußere Wellenteil weisen definitionsgemäß mehrere, insbesondere drei, den Gesamtumfang bildende Umfangsbereiche auf, in welchen jeweils mindestens ein Wälzkörper angeordnet ist. Wie unten stehend noch näher erläutert, können die einzelnen Umfangsbereiche beispielsweise durch eine näherungsweise dreieckige Quer- schnittsform der Wellenteile gegeben sein; ebenso ist jedoch auch eine im Wesentlichen kreisrunde Ausbildung der Wellenteile möglich. Typischerweise erstreckt sich jeder Umfangsbereich über 120° des Gesamtumfangs.

In jedem Fall weist mindestens einer der Umfangsbereiche, vorzugsweise ge- nau ein Umfangsbereich, gegenläufig, d.h. in entgegengesetzte Drehrichtungen wirkende Freilaufkupplungen auf. Als Klemmelemente dieser Freilaufkupplungen sind Kugeln vorgesehen, die zugleich Wälzkörper der Linearlagerung zwischen den Wellenteilen sind. Der mindestens eine Umfangsbereich der Wellenkupplung, in dem die Freilaufkupplungen angeordnet sind, weist somit mindes- tens zwei Wälzkörper auf, wobei jeder dieser Wälzkörper, nämlich Kugeln, sowohl als Klemmelement einer Freilaufkupplung als auch als Wälzkörper einer Linearlagerung fungiert. Die Freilaufkupplungen sperren sich gegenseitig, so

dass keine Verdrehung des inneren Wellenteils relativ zum äußeren Wellenteil möglich ist. Umfangsbereiche, in denen keine Freilaufkupplungen angeordnet sind, vorzugsweise zwei von drei Umfangsbereichen, weisen ausschließlich der Linearlagerung dienende Wälzkörper auf. Diese Wälzkörper können zwar eine Verdrehsicherungsfunktion aufweisen, haben jedoch keine Freilauffunktion. Eine Freilauffunktion eines Wälzkörpers ist nur dann gegeben, wenn dieser eine relative Verdrehung der Wellenteile in der einen Drehrichtung zulässt und in der anderen Drehrichtung durch Klemmung sperrt.

Um die Kugeln der Freilaufkupplungen permanent in Klemmbereitschaft zu halten, kann beispielsweise eine Feder zwischen zwei in entgegengesetzten Drehrichtungen klemmende Kugeln gespannt sein. Ebenso kann jedoch auch jede als Klemmelement wirkende Kugel separat angefedert sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine in Axialrichtung der Wellen verlaufende, mittels eines Kä- figs geführte Kugelreihe insgesamt durch die Kraft einer Feder zu beaufschlagen. In allen Fällen wird die gegenläufig wirkende Freilaufvorrichtung derart durch Federkraft belastet, dass eine Radialkraftkomponente das innere Wellenteil von demjenigen Umfangsbereich, in welchem die Freilaufvorrichtung angeordnet ist, weg drückt und damit in anderen Umfangsbereichen, insbesondere in den verbleibenden zwei von drei Umfangsbereichen, an das äußere Wellenteil anpresst. Das innere Wellenteil ist damit spielfrei und gleichzeitig axial verschieblich im äußeren Wellenteil gelagert. Die Freilaufkupplungen weisen vorzugsweise einen Klemmwinkel auf, der nahe an der Selbsthemmungsgrenze ist, um eine Schwergängigkeit beim axialen Verstellen der Wellenkupplung, insbesondere ein Festsetzen oder ein ruckartiges Losreißen der Kugelfreilaufvorrichtung, zu verhindern.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich explizit auf Ausführungsformen der Wellenkupplung mit drei Umfangsbereichen, von welchen zwei ausschließlich Wälzkörper aufweisen, die der Linearlagerung dienen, wobei im dritten Umfangsbereich die Freilaufvorrichtung mit entgegengesetzt wirksamen Freiläufen angeordnet ist. In analoger Weise gelten die Ausführungen jedoch auch für

Ausführungsformen mit einer hiervon abweichenden Anzahl an Umfangsberei- chen, wobei Freilaufvorrichtungen auch in mehreren Umfangsbereichen angeordnet sein können.

Sowohl in den ersten beiden Umfangsbereichen, in welchen sich die der Linearlagerung dienenden Wälzkörper befinden, als auch im dritten Umfangsbereich, in dem mehrere Kugeln eine kombinierte Linearlagerungs- und Freilauffunktion wahrnehmen, sind in bevorzugter Ausgestaltung mehrere Wälzkörper axial hintereinander angeordnet. Auf diese Weise wird sowohl das übertragbare Dreh- moment zwischen den Wellenteilen erhöht, als auch die Aufnahme von Kippbelastungen ermöglicht. Im dritten Umfangsbereich, d.h. in demjenigen Umfangsbereich, in dem die in Umfangsrichtung wirksame, selbstsperrende Freilaufvorrichtung angeordnet ist, befindet sich vorzugsweise mindestens ein zusätzlicher Wälzkörper, der, wie die Wälzkörper im ersten und zweiten Umfangsbereich, der Linearlagerung dient, ohne jedoch zugleich eine Freilauffunktion aufzuweisen. Dieser mindestens eine zusätzliche Wälzkörper im dritten Umfangsbereich befindet sich vorzugsweise axial zwischen Wälzkörpern, die Teile von Freilaufkupplungen sind. Durch die damit in Axialrichtung gespreizte Anordnung mehrerer Klemmkörper der Freilaufkupplung wird eine besonders hohe Verkippsi- cherheit der gesamten Wellenkupplung erreicht.

Ist das innere Wellenteil als im Wesentlichen kreisrunde Welle ausgebildet, so sind vorzugsweise sämtliche Wälzkörper der Wellenkupplung Kugeln. Die Kugeln im ersten und zweiten Umfangsbereich sind dabei in vorteilhafter Ausges- taltung in Längsrillen des inneren Wellenteils sowie des rohrförmigen äußeren Wellenteils geführt, so dass sie eine zusätzliche Verdrehsicherungsfunktion übernehmen. Entsprechendes gilt ggf. für einen oder mehrere zusätzliche, keine Freilauffunktion aufweisende Wälzkörper im dritten Umfangsbereich.

Die elastischen Eigenschaften der Freilaufvorrichtung sowie der übrigen Kugellagerung sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass Torsionsbelastungen zwischen den Wellenteilen in definierter Weise auf die unterschiedlichen Wälzkörper verteilt werden.

In einer Ausführungsform mit im Wesentlichen dreieckigem Querschnitt des inneren Wellenteils sind als Wälzkörper im ersten und zweiten Umfangsbereich, d.h. in denjenigen Umfangsbereichen, in denen sich keine Freilaufkupplungen befinden, vorzugsweise Zylinderrollen oder Nadeln vorgesehen. Diese ermögli- chen zum einen die Aufnahme hoher radialer Belastungen und stellen des Weiteren in Zusammenwirkung mit den durch Federkraft vorgespannten Freilaufkupplungen im dritten Umfangsbereich eine zusätzliche Maßnahme gegen eine Verdrehung des inneren Wellenteils relativ zum äußeren Wellenteil dar. Die Länge einer Zylinderrolle oder Nadel beträgt vorzugsweise mindestens die Hälf- te des minimalen Radius des inneren Wellenteils. Zur Führung der Zylinderrollen oder Nadeln kann ein zwischen den Wellenteilen angeordneter Käfig vorgesehen sein. Alternativ ist es auch möglich, die Zylinderrollen oder Nadeln in Axialnuten der Wellenteile zu führen.

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wellenkupplung zur Drehmomentübertragung,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wellenkupplung und

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wellenkupplung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In den Figuren 1 bis 3 ist jeweils eine Ausführungsform einer Wellenkupplung 1 zur Drehmomentübertragung dargestellt, die beispielsweise in einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges einsetzbar ist. In jedem Fall ist in einem äußeren Wellenteil 2 ein inneres Wellenteil 3 axial verschieblich gelagert. Während in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 als inneres Wellenteil 3 eine Dreikantwelle vorgesehen ist, weist im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 das innere Wellenteil 3 einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. In allen Aus- führungsbeispielen können drei Umfangsbereiche U1 , U2, U3, die zusammen den Gesamtumfang der Wellenkupplung 1 bilden, unterschieden werden. Jeder Umfangsbereich U1 , U2, U3 erstreckt sich über 120°, wobei in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 jeweils eine Dreieckseite des inneren Wellenteils 3 in einem Umfangsbereich U1 , U2, U3 liegt.

Die ersten beiden, in den Darstellungen unten angeordneten Umfangsberei- chen U1 , U2 sind symmetrisch zu einer Vertikalebene V, die den dritten Umfangsbereich U3 mittig schneidet, angeordnet. Als der Linearlagerung des inneren Wellenteils 3 im äußeren Wellenteil 2 dienende Wälzkörper sind Zylinderrol- len 4 (Figur 1 , 2) bzw. Kugeln 5 (Figur 3) vorgesehen. In nicht sichtbarer Weise sind in Axialrichtung der Wellenkupplung 1 jeweils mehrere, beispielsweise vier, Wälzkörper 4, 5 hintereinander angeordnet. Während die Zylinderrollen 4 - bei Durchmessern bis 6 mm üblicherweise als Nadeln bezeichnet - auf glatten Um- fangsabschnitten der Wellenteile 2, 3 abrollen, sind die im Fall der runden Welle verwendeten Kugeln (Figur 3) in Längsrillen 6, 7 des inneren Wellenteils 3 bzw. des äußeren Wellenteils 2 geführt. Unabhängig von der Gestalt der Wälzkörper 4, 5 befinden sich diese in einem zwischen den Wellenteilen 2, 3 angeordneten Käfig 8, der aus Kunststoff oder aus Metall, insbesondere mittels spanloser Verformung, gefertigt sein kann und die Wälzkörper 4, 5 verliersicher hält.

Im dritten Umfangsbereich U3 sind zwischen den Wellenteilen 2, 3 Freilaufkupplungen 9, 10 gebildet, die in entgegengesetzten Drehrichtungen wirksam sind. Jede der Freilaufkupplungen 9, 10 weist eine Kugel 11 , 12 auf, die als Klemmkörper wirkt. Während in den dargestellten Anordnungen die Kugel 11 bei feststehendem äußeren Wellenteil 2 eine Verdrehung des inneren Wellenteils 3 im Uhrzeigersinn verhindert, blockiert die Kugel 12 der Freilaufkupplung 10 in der entgegengesetzten Drehrichtung. Insgesamt ist mittels der gegenläufig wirkenden Freilaufkupplungen 9, 10 das innere Wellenteil 3 somit verdrehfest im äußeren Wellenteil 2 gehalten. Zwischen die Kugeln 11 , 12 ist ein als Schraubenfeder ausgebildetes Federelement 13 gespannt, so dass die Kugeln 11 , 12 permanent in Klemmbereitschaft gehalten werden. Der mit α bezeichnete Klemmwinkel ist derart bemessen, dass die Freilaufkupplungen 9, 10 annähernd an der Selbsthemmungsgrenze betrieben werden. Es gilt somit näherungsweise tan α = μ, d.h. der Klemmwinkel α ist so groß, dass die Kugeln 11 , 12 gerade nicht durchrutschen (μ = Reibungskoeffizient). Die durch das Federelement 13 belasteten Kugeln 11 , 12 drücken das innere Wellenteil 3 mit einer erheblichen Keilwirkung in Richtung zu den ersten zwei Umfangsbereichen U1 , U2, in den dargestellten Anordnungen vertikal nach unten. Somit sind nicht nur die Freilaufkupplungen 9, 10, sondern auch die Linearlagerungen in den Um- fangsbereichen U1 , U2 permanent vorgespannt. Insgesamt ist das innere Wellenteil 3 damit spielfrei im äußeren Wellenteil 2 gelagert.

Wird das innere Wellenteil 3 relativ zum äußeren Wellenteil 2 axial verschoben, so rollen nicht nur die Wälzkörper 4, 5 in den Umfangsbereichen U1 , U2, son- dem auch die Kugeln 11 , 12 im dritten Umfangsbereich U3 zwischen den Wellenteilen 2, 3 ab. Die Kugeln 11 , 12 haben somit zusätzlich zu ihrer Freilauffunktion auch eine Linearlagerungsfunktion. In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2 und 3 befindet sich im dritten Umfangsbereich U3 zusätzlich zu den die Freilauffunktion realisierenden Kugeln 11 , 12 axial versetzt zu diesen min- destens ein zusätzlicher Wälzkörper 14. In den dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich beim in Figur 2 lediglich angedeuteten Wälzkörper 14 um eine Kugel, ebenso ist an dieser Stelle jedoch auch eine Zylinderrolle oder

Nadel verwendbar. ähnlich wie die in den ersten beiden Umfangsbereichen U1 , U2 angeordneten Kugeln 5 (Figur 3) ist auch die im dritten Umfangsbereich U3 angeordnete Kugel 14 in Längsrillen 6, 7 des inneren Wellenteils 3 sowie des äußeren Wellenteils 2 geführt. Somit wirkt die Kugel 14 zusätzlich einer Verdre- hung des inneren Wellenteils 3 relativ zum äußeren Wellenteil 2 entgegen. An das in den Figuren 2 und 3 sichtbare Paar an gegenläufig wirkenden Freilaufkupplungen 9, 10 schließen sich in Axialrichtung hintereinander zwei zusätzliche Wälzkörper 14 an. Im Anschluss an diese befindet sich ein weiteres Paar an Freilaufkupplungen 9, 10 zwischen den Wellenteilen 2, 3, so dass die zu- sätzlichen Wälzkörper 14 in axialer Richtung beidseitig von Freilaufkupplungen 9, 10 benachbart sind.

In allen dargestellten Ausführungsbeispielen rollen die als Klemmkörper fungierenden Kugeln 11 , 12 auf zylindermantelförmigen Oberflächenabschnitten des äußeren Wellenteils 2 ab, während das innere Wellenteil 3 in den von den Kugeln 11 , 12 kontaktierten Bereichen rampenförmig gestaltet ist, um die gewünschte Freilauffunktion herzustellen. Abweichend hiervon ist es auch möglich, im Bereich der Freilaufkupplungen 9, 10 das innere Wellenteil 3 zylindrisch zu gestalten, während das äußere Wellenteil 2 eine Rampenkontur aufweist.

Der mit Du bezeichnete Durchmesser der zusätzlichen Wälzkörper 14 übersteigt den Durchmesser Dn der Kugeln 11 , 12 deutlich, in den Ausführungsbeispielen nach Figur 2 und 3 um mehr als 50%. Die Länge der Zylinderrollen oder Nadeln 4 ist mit L ₄ , der minimale Radius des inneren Wellenteils 3 mit R _m in be- zeichnet. Die Länge L ₄ beträgt mindestens 50%, in den Ausführungsbeispielen nach Figur 1 und 2 etwa 80%, des minimalen Radius R _m j _n des inneren Wellenteils 3. Die Zylinderrollen oder Nadeln 4 liegen ebenso wie die Kugeln 5, 11 , 12, 14 unmittelbar an beiden Wellenteilen 2, 3 an. Das der vorgespannten Lagerung des inneren Wellenteils 3 im äußeren Wellenteil 2 dienende Federelement 13 beansprucht keinerlei zusätzlichen radialen Bauraum, sondern nutzt den vorhandenen Raum zwischen den Wellenteilen 2, 3 aus.

Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Federelement 13 im Spaltraum 15 zwischen den Wellenteilen 2 und 3 hauptsächlich in tangentiale Richtung eine Kraft auf die Kugeln 11 , 12 ausübt.

Bezugszeichenliste

1 Wellenkupplung

2 äußeres Wellenteil

3 inneres Wellenteil

4 Zylinderrolle

5 Kugel

6 Längsrille

7 Längsrille

8 Käfig

9 Freilaufkupplung

10 Freilaufkupplung

11 Kugel

12 Kugel

13 Federelement

14 Wälzkörper

15 Spaltraum

α Klemmwinkel μ Reibungskoeffizient

Dn Durchmesser

Di ₄ Durchmesser

U Länge

Rmin minimaler Radius

U1.U2 ,U3 Umfangsbereich

V Vertikalebene