Tripodegelenk und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tripodegelenk, umfassend ein Gelenkaußenteil mit Laufbahnpaaren, einen Tripodestern mit radial abstehenden Zapfen, und Rollelemente, die an den Zapfen des Tripodesterns um die Längsachse des jeweiligen Zapfens drehbar gelagert sind, wobei jedes Rollelement einen Außenring mit einem Außenumfang zum Abrollen entlang eines Laufbahnpaars des Gelenkaußenteils, einen Innenring, der mit seinem Innenumfang mit einem der Zapfen des Tripodesterns in Kontakt steht, sowie Nadeln, die in einem Ringraum zwischen einem Außenumfang des Innenrings und einem Innenumfang des Außenrings um den Zapfen herum angeordnet sind, aufweist.

In Seitenwellen von Kraftfahrzeugen werden Gleichlaufgelenke eingesetzt, um das Antriebsmoment eines Fahrzeugantriebs an die Fahrzeugräder zu übertragen. Dabei müssen nicht nur Winkelveränderungen zwischen den Fahrzeugrädern und einem Fahrzeugantrieb ausgeglichen, sondern auch Längenveränderungen kompensiert werden. Bei Gleichlaufgelenkwellen, die als Seitenwellen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist daher üblicherweise das radseitige Gleichlaufgelenk als Festgelenk ausgebildet, wohingegen das getriebeseitige Gleichlaufgelenk in der Regel eine axiale Verschiebemöglichkeit aufweist. Die maximalen Beugewinkel des Gleichlaufgelenks an der Radseite liegen in der Größenordnung von ca. 45 bis 50 Grad, während die maximalen Beugewinkel des Gleichlaufgelenks an der Seite des Fahrzeugantriebs mit maximal ca. 24 Grad deutlich kleiner sind. Für die Fahrzeugantriebsseite geeignete Gleichlaufgelenke können beispielsweise als Kugelverschiebegelenke oder als Tripodegelenke ausgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Tripodegelenke, welche im Vergleich zu VL-Kugelverschiebegelenken einen besseren Wirkungsgrad aufweisen.

Tripodegelenke der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus DE 10 2016 222 521 A1 und DE 10 2009 013 038 A1 bekannt.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen ergibt sich für die Seitenwellen ein anspruchsvolleres Belastungskollektiv. Dies betrifft in Tripodegelenken insbesondere die Rollelemente in Bezug auf Pittingbildung und die Beanspruchung der Nadeln. Abhilfe besteht in der Verwendung größerer Tripodegelenke, womit allerdings der benötigte Bauraum und das Gewicht zunehmen. Größere Baugrößen sind zudem aufgrund geringer Produktionsstückzahlen bisher überproportional teuer.

Alternativ können die bereits erwähnten VL-Kugelverschiebegelenke verwendet werden. Dies geht jedoch auf Kosten des Wirkungsgrads und impliziert dementsprechend einen erhöhten Energieverbrauch, was gerade bei Elektrofahrzeugen wegen begrenzter Batteriekapazitäten problematisch ist.

Aus DE 102020 102 218 A1 ist ein Tripodegelenk bekannt, bei dem die Nadeln ohne Zwischenschaltung eines Rollelements unmittelbar an der Oberfläche des Zapfens des Tripodesterns abrollen, d.h. mit diesen in direktem Kontakt stehen. Zum Erhöhen der Lebensdauer oder zum Erreichen eines Betriebs unter höherer Last wird dort vorgeschlagen, die Last gleichmäßiger auf die Nadeln zu verteilen, die mit dem Zapfen in Kontakt stehen, ohne den Durchmesser des Zapfens zu vergrößern. Dazu soll die Form des Zapfens verändert werden von bisher zylindrisch oder kreisförmig zu beispielsweise elliptisch, den Querschnitt des Zapfens betrachtend. Bei dem vorliegend zu verbessernden Gelenk rollen die Nadeln jedoch nicht auf dem Außenumfang des Zapfens ab, sondern an einem Innenteil des Rollelements, welches seinerseits an dem Zapfen drehbar gelagert ist.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Tripodegelenk der eingangs genannten Art für anspruchsvollere Belastungskollektive zu ertüchtigen.

Diese Aufgabe wird durch ein Tripodegelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Tripodegelenk umfasst ein Gelenkaußenteil mit Laufbahnpaaren, einen Tripodestern mit radial abstehenden Zapfen, und Rollelemente, die an den Zapfen des Tripodesterns um die Längsachse des jeweiligen Zapfens drehbar gelagert sind, wobei jedes Rollelement einen Außenring mit einem Außenumfang zum Abrollen entlang eines Laufbahnpaars des Gelenkaußenteils, einen Innenring, der mit seinem Innenumfang mit einem der Zapfen des Tripodesterns in Kontakt steht, sowie Nadeln, die in einem Ringraum zwischen einem Außenumfang des Innenrings und einem Innenumfang des Außenrings um den Zapfen herum angeordnet sind, aufweist. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Innenumfang des Innenrings des Rollelements in Drehrichtung des Tripodesterns zu dem zugehörigen Zapfen ein Kopfspiel zu der Oberfläche des Zapfens aufweist, welches sich zu zwei Kontaktstellen am Zapfen beidseits außerhalb der Drehrichtung hin verringert. Über den so abgestützten Innenring wird eine bessere Kraftverteilung innerhalb des Gelenks erzielt, welche sich in einer erhöhten Lebensdauer und/oder einer erhöhten Belastbarkeit niederschlägt.

Eine in Drehrichtung des Tripodesterns wirkende Last wird somit auf zwei Bereiche beidseits der eigentlichen Drehrichtung verteilt, wodurch sich die Beanspruchung der Komponenten des Rollelements vermindert. Die maximalen Hertz'schen Pressungen im Tripodegelenk werden verringert.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.

Vorzugsweise liegt ein Kontaktwinkel an den Kontaktstellen in einem Bereich von 5° bis 35°. Der Kontaktwinkel einer Kontaktstelle am Zapfen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Zapfens ist dabei definiert als der Winkel zwischen einer Geraden durch eine Kontaktstelle und den Durchdringungspunkt der Längsachse des Zapfens durch besagte Ebene mit einer Geraden in Drehrichtung des Tripodesterns durch den Durchdringungspunkt der Längsachse des Zapfens durch besagte Ebene. Experimente haben gezeigt, dass hierdurch eine besonders gute Kraftverteilung innerhalb des Tripodegelenks erzielt werden kann.

Der Kontaktwinkel der beiden Kontaktstellen kann dabei betragsmäßig verschieden sein. Bevorzugt wird jedoch ein Kontaktwinkel, der für beide Kontaktstellen beidseits der Drehrichtung dem Betrag nach gleich groß ist.

Die Kontaktstellen sind in einer Querschnittsebene senkrecht zur Längsachse des Zapfens idealerweise Punkte, erstrecken sich real jedoch über gewisse Bogenabschnitte der Oberfläche des Zapfens in Richtung um die Längsachse desselben herum. Für geometrische Betrachtungen kann die Mitte eines solchen Bogenabschnitts als relevanter Kontaktpunkt betrachtet werden.

In einer bevorzuge Ausführungsart ist das Kopfspiel KS zwischen dem Innenring des Rollelements und dem Außenumfang des Zapfens an seiner in Drehrichtung weisenden Stelle wie folgt bestimmt:

Ks = KSF * a 1 1000 wobei KS als Wert in mm angenommen wird, a der größte vorhandene Kontaktwinkel der zwei Kontaktstellen in Grad ist und KSF ein Wert von 1 bis 8 ist.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist zur Bereitstellung des Kopfspiels die Oberfläche des Zapfens im Querschnitt an ihrer in Drehrichtung weisenden Seite zwischen den beiden Kontaktstellen abgeflacht. Eine solche Abflachung kann fertigungstechnisch beispielsweise sehr einfach durch eine materialabtragende Nachbearbeitung der Zapfen des Tripodesterns erhalten werden. Im einfachsten Fall kann die Abflachung eine geebnete Fläche an der Oberfläche des Zapfens sein.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart weist die Oberfläche des Zapfens im Querschnitt zwischen den beiden Kontaktstellen einen Krümmungsabschnitt auf, dessen Radius größer ist als der Abstand der Kontaktstellen von der Längsachse des Zapfens. Im Vergleich zu einer geebneten Fläche ist hier der erforderliche Materialabtrag geringer. Zudem wirkt sich ein weicher Übergang in den Krümmungsabschnitt günstig für die Lagerung des Innenrings am Zapfen aus.

In einer Ausführungsvariante geht der Krümmungsabschnitt tangential in zwei Erzeugendenkreise für die Kontaktstellen über, welche jeweils einen Basiskreis an der zugehörigen Kontaktstelle tangential berühren, wobei der Radius der Erzeugendenkreise kleiner ist als der Betrag des Radius des Krümmungsabschnitts. Dies ermöglicht eine einfache Erzeugung des gewünschten Kopfspiels.

Der Krümmungsabschnitt ist vorzugsweise konvex, d.h. nach außen gekrümmt, wodurch sich besonders geringe maximale Hertz'sche Pressungen im Tripodegelenk ergeben. Jedoch ist auch eine konkave Ausgestaltung möglich. Dies reduziert zwar die Belastung der Nadeln, führt im Vergleich zu einer konvexen Ausgestaltung jedoch zu höheren Hertz'schen Pressungen.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist der der Außenumfang des Innenrings im Bereich des Kontakts mit den Nadeln kreiszylindrisch ausgebildet. Hierdurch wird eine gleichmäßige Kraftverteilung über die Nadeln ausgehend von den zwei Kontaktstellen begünstigt, wodurch die maximale Belastung der Nadeln deutlich verringert wird. Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die Oberfläche des Zapfens in einer Längsschnittebene, welche die Längsachse des jeweiligen Zapfens enthält, ballig gewölbt ausgebildet. Dies ermöglicht ein Verschwenken der Drehachse des Rollelements relativ zu der Längsachse des zugehörigen Zapfens beim Beugen des Tripodegelenks, d.h. einem Anwinkeln der Drehachse des Tripodesterns zur Drehachse des Gelenkaußenteils.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tripodegelenks gemäß Patentanspruch 12 gelöst, bei dem der Tripodestern umformtechnisch hergestellt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die umformtechnische Herstellung des Tripodesterns mittels eines geteilten Formwerkzeugs erfolgt, dessen Werkzeugtrennebene im Bereich der Zapfen des Tripodesterns durch die Längsachse des jeweiligen Zapfens und die Drehachse des Tripodesterns aufgespannt wird, wobei der Zapfen bei der umformtechnischen Herstellung bereits mit einem in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Zapfens unrunden Querschnitt versehen wird, welcher in Drehrichtung des Tripodesterns eine Abflachung ausbildet.

Die Kontur des Zapfens kann dabei zumindest im Bereich des Kopfspiels, vorzugsweise jedoch insgesamt, umformtechnisch fertiggeformt werden, wodurch der Fertigungsaufwand besonders gering bleibt.

Die Kontur des Zapfens, insbesondere im Bereich des Kopfspiels, jedoch auch vollumfänglich, kann gegebenenfalls einer kalibrierenden Nachbearbeitung unterzogen werden. Eine solche kalibrierende Nachbearbeitung kann im Prinzip eine materialabtragende Hartbearbeitung sein. Vorzugsweise wird der Kontaktbereich jedoch umformtechnisch kalibriert, wodurch das endgültige Kopfspiel entsteht. In diesem Fall kann eine teure materialabtragende Hartbearbeitung komplett entfallen. Zudem wird bei einer umformtechnischen Kalibrierung im Vergleich zur einer kalibrierenden Hartbearbeitung mit Materialabtrag eine höhere Prozesssicherheit erzielt, da ein etwaiger Konturversatz zwischen Rohteil und Fertigteil beim Umformen im Vergleich zur Hartbearbeitung praktisch ausgeschlossen werden kann.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tripodegelenks gemäß Patentanspruch 15 gelöst, bei dem der Tripodestern umformtechnisch hergestellt wird, wobei die umformtechnische Herstellung des Tripodesterns mittels eines geteilten Formwerkzeugs erfolgt und die Drehachse (A) des Tripodesterns senkrecht zur Werkzeugtrennebene ist. In diesem Fall wird die Kontur des Zapfens zumindest im Bereich des Kopfspiels durch eine materialabtragende Nachbearbeitung hergestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Tripodegelenks nach der Erfindung senkrecht zu den Drehachsen A und B des Tripodesterns und Gelenkaußenteils bei gestrecktem Tripodegelenk,

Figur 2 eine Querschnittsansicht durch einen Zapfen und ein Rollelement senkrecht zur Längsachse des Zapfens, welche in einer ungebeugten Stellung mit der Drehachse des Rollelements zusammenfällt,

Figur 3 eine Längsschnittansicht durch ein Rollelement, wobei die Schnittebene mit einer Drehachse des Rollelements zusammenfällt,

Figur 4 eine räumliche Darstellung des Tripodesterns,

Figur 5 eine schematische Darstellung analog Figur 2 zur Veranschaulichung des Kopfspiels des Innenrings am Zapfen eines Tripodesterns sowie der Kontaktwinkel des Innenrings,

Figur 6 eine erste Variante zur Erzeugung eines Krümmungsabschnitts an der Oberfläche des Zapfens zwischen den Kontaktstellen,

Figur 7 eine zweite Variante zur Erzeugung eines Krümmungsabschnitts an der Oberfläche des Zapfens zwischen den Kontaktstellen,

Figur 8 eine Darstellung zur Veranschaulichung der umformtechnischen Fertigung eines Zapfens,

Figur 9 eine Veranschaulichung von Hauptkontaktbereichen neben der Drehrichtung des Tripodesterns und einem dazwischen gelegenen Nebenkontaktbereich in Drehrichtung des Tripodesterns, sowie in Figur 10 eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung der umformtechnischen Fertigung eines Zapfens sowie der Aufteilung der Kontaktstellen in separate Kontaktinseln.

Fig. 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein Tripodegelenk 1 nach der Erfindung, welches beispielsweise in einer Seitenwelle eines Kraftfahrzeugs als antriebsseitiges Gleichlaufgelenk zum Einsatz kommen kann.

Das Tripodegelenk 1 umfasst ein Gelenkinnenteil in Form eines Tripodesterns 10 mit einer Drehachse A sowie ein Gelenkaußenteil 20 mit einer Drehachse B. An dem Gelenkaußenteil sind Laufbahnpaare 21 ausgebildet, in welchen das Gelenkinnenteil axial, d.h. in Richtung der Drehachse B geführt ist. Bei gestrecktem Tripodegelenk fluchten die Drehachsen A und B miteinander. Wir das Tripodegelenk 1 gebeugt, schließen diese hingegen einen Beugewinkel 0° miteinander ein.

Der Tripodestern 10 weist einen zentralen Wellenabschnitt 11 sowie mehrere, vorzugsweise drei von dem Wellenabschnitt 11 abstehenden Zapfen 12 auf. Der zentrale Wellenabschnitt

11 kann als Ringkörper ausgeführt sein.

Die Zapfen 12 sind in Umfangsrichtung um die Drehachse A des Gelenkinnenteils bzw. Tripodesterns 10 mit gleichem Abstand zueinander angeordnet. Ihre Längsachsen Z verlaufen im Wesentlichen radial zur Drehachse A und liegen vorzugsweise wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene.

Weiterhin umfasst das Tripodegelenk 1 am Tripodestern 10 je Zapfen 12 ein Rollelement 13, welches am zugehörigen Zapfen 12 des Tripodesterns 10 um die Längsachse Z des Zapfens

12 drehbar gelagert ist.

Die Zapfen 12 weisen zur Lagerung der Rollelemente 13 jeweils eine profilierte Oberfläche 12a auf, welche weiter unten noch näher erläutert werden wird.

Jedes der Rollelemente 13 umfasst einen Außenring 14 und einen Innenring 15 sowie zwischen diesen angeordnete Wälzkörper 16, so dass der Außenring 14 und der Innenring 15 gegeneinander verdreht werden können. Der Außenring 14 und der Innenring 15 sind vorzugsweise als rotationssymmetrische Bauteile ausgebildet.

Insbesondere kann jedes Rollelement 13 mit einem Außenumfang 14a des Außenring 14 entlang eines Laufbahnpaars 21a, 21b des Gelenkaußenteils 20 abrollen. Das Profil des Außenumfangs 14a kann hierzu im Querschnitt ballig nach außen gewölbt sein. Die Laufbahnen 21a und 21b können entsprechend ein konkaves Querschnittsprofil aufweisen, wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist.

Der Innenring 15 steht mit seinem Innenumfang 15a mit dem zugehörigen Zapfen 12 des Tripodesterns 10 in Kontakt.

Die Wälzkörper sind vorliegend als Nadeln 16 ausgebildet, die in einem Ringraum 17 zwischen einem Außenumfang 15b des Innenrings 15 und einem Innenumfang 14b des Außenrings 14 um den Zapfen 12 herum angeordnet sind und zu dem Außenumfang 15b des Innenrings 15 und dem Innenumfang 14b des Außenrings 14 jeweils Linienkontakt aufweisen.

Der Innenumfang 15a des Innenrings 15 kann dabei kreiszylindrisch ausgebildet sein.

Innen- und Außenumfänge werde im Sinne der vorliegenden Offenbarung als die betreffenden Oberflächen und nicht als Maßangaben verstanden.

Die Oberfläche 12a des Zapfens 12 kann hingegen in einer Längsschnittebene, welche die Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 12 enthält, ballig gewölbt ausgebildet sein.

Aufgrund einer balligen Ausgestaltung der Oberfläche 12a des Zapfens 12, mit welcher der Innenumfang 15a des Innenrings 15 in Kontakt steht, kann bei einer Beugung des Tripodegelenks 1 der Innenring 15 gegenüber der Längsachse Z des zugehörigen Zapfens 12 verkippt werden. Zudem ist eine axiale Verschiebbarkeit in Richtung der Längsachse Z des Zapfens 12 gegeben.

Die Funktionen des Drehens um die Zapfen 12, des Verkippens sowie eine axiale

Verschiebbarkeit können auch auf andere Art und Weise verwirklicht werden. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführung einer drehbaren Lagerung in mehrere Richtungen zur Ermöglichung einer Taumelbewegung stellt lediglich eine Möglichkeit für ein Rollelement 13 dar, die zum Zweck der Veranschaulichung der Funktion eines solchen angegeben wird.

Das oben bereits erwähnte Gelenkaußenteil 20 des Tripodegelenks 1 weist für jedes Rollelement 13 einen eigenen Eingriffsabschnitt auf. Der Eingriffsabschnitt ist beispielsweise hülsenartig ausgebildet und kann über seine Axiallänge ein konstantes Querschnittsprofil aufweisen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Eingriffsabschnitt an seinem Innenumfang parallel zur Drehachse B des Gelenkaußenteils 20 verlaufende Laufbahnpaare 21 mit einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Laufbahnen 21a und 21b auf. Diese Laufbahnen 21a und 21b stehen mit dem Außenumfang 14a des jeweiligen der Rollelements 13 in Eingriff, wobei je nach Drehrichtung und Betriebssituation eine der Laufbahnen 21a lasttragend und die gegenüberliegende Laufbahn 21b entlastet ist. Die Laufbahn 21a und 21b am Gelenkaußenteil 20 verlaufen jeweils parallel zur Drehachse B des Gelenkaußenteils 20.

Durch eine Profilierung sowohl der Laufbahnen 21a und 21b am Gelenkaußenteil 20 als auch des Außenumfangs 14a der Außenringe 14 der Rollelemente 13 wird bewirkt, dass bei einer Drehung des Gelenks 1 unter Beugung der Bauteilachsen A und B zueinander die Rollelemente 13 achsparallel zur Drehachse B des Gelenkaußenteils 20 hin und her bewegt werden. Ein hierfür benötigte Schwenkfreiheitsgrad kann beispielsweise zwischen den Zapfen 12 und den Innenringen 15 der Rollelemente 13 bereitgestellt werden, wie dies oben bereits erläutert wurde.

Wie insbesondere den Figuren 4 und 5 entnommen werden kann, ist zwischen dem Innenumfang 15a des Innenrings 15 des Rollelements 13 und der diesen stützenden Oberfläche 12a des Zapfens 12 in Drehrichtung des Tripodesterns 10, welche in Figur 5 mit D bezeichnet ist, ein sogenanntes Kopfspiel KS vorgesehen, welches sich zu zwei Kontaktstellen K1 und K2 beidseits außerhalb der Drehrichtung D des Tripodesterns 10 hin verringert.

Ein solcher Kontakt in der Schnittebene senkrecht zur Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 12 beidseits der Drehrichtung D ermöglicht durch eine Vergleichmäßigung der Kraftverteilung im Tripodegelenk 1 eine Steigerung der Lebensdauer der Rollelemente 13. Dies schließt weitere Kontaktstellen nicht aus. Prinzipiell können die beiden Kontaktstellen K1 und K2 links und rechts der Drehrichtung D in Längsrichtung Z des Zapfens 12 ausgedehnt über die zu dem Innenumfang 15a des Innenrings 15 weisende Oberfläche 12a des Zapfens 12 verlaufen, wie dies in Fig. 4 beispielhaft gezeigt ist.

Diese Ausdehnung kann in Z-Richtung jedoch gegebenenfalls auch unterbrochen sein, so dass sich für jede Kontaktstelle K1 und K2 jeweils zwei oder mehr voneinander in Z-Richtung beabstandete Kontaktinseln K1a, K1b sowie K2a und K2b ergeben, wie dies in Fig. 10 beispielhaft angedeutet ist. Hierdurch kann die Krafteinleitung insbesondere auch unter dem Gesichtspunkt wichtiger Betriebsbeugewinkelbereiche weiter verbessert werden.

Jenseits der Kontaktstellen K1 und K2 bzw. der Kontaktinseln K1a, K1b sowie K2a und K2b in Umfangsrichtung um die Längsachse Z des Zapfens 12 herum kann wieder ein Bereich mit zunehmendem Spiel beginnen.

Es ergibt sich somit, wie in Fig. 9 angedeutet, jeweils ein Hauptkontaktbereich HK um die Kontaktstellen K1 und K2 sowie ein in Drehrichtung D liegender Nebenkontaktbereich NK zwischen den beiden Hauptkontaktbereichen HK. Im Hauptkontaktbereich HK tritt im Vergleich zu einer kreisförmigen Querschnittskontur eine deutliche Erhöhung der Kraftübertragung auf. Im Nebenkontaktbereich NK ist die Kraftübertragung hingegen deutlich reduziert, woraus eine Vergleichmäßigung der Belastung der Wälzkörper, vorliegend der Nadeln 16, resultiert und deren Belastungsspitzen deutlich verringert werden.

In Figur 4 sind weiterhin die Kontaktwinkel a1 und a2 für die beiden Kontaktstellen K1 und K2 eingezeichnet. Vorzugsweise liegen diese beiden Kontaktwinkel a1 und a2 in einem Bereich von 5° bis 35°. Der Kontaktwinkel a1 bzw. a2 einer Kontaktstelle K1 bzw. K2 am Zapfen 12 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse Z des Zapfens 12 ist hierbei der Winkel zwischen einer Geraden durch eine Kontaktstelle und den Durchdringungspunkt P der Längsachse Z durch besagte Ebene mit einer Geraden in Drehrichtung D des Tripodesterns 10 durch den Durchdringungspunkt P der Längsachse Z durch besagte Ebene.

Bei dem dargestellten Ausführungswinkel ist der Kontaktwinkel a1 und a2 für beide Kontaktstellen K1 und K2 dem Betrag nach gleich groß. Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei welchen die Kontaktwinkel a1 und a2 voneinander abweichen. Das Kopfspiel KS wird vorzugsweise in Abhängigkeit des größten vorhandenen Kontaktwinkels a1 und a2 der zwei Kontaktstellen K1 und K2 wie folgt bestimmt:

KS = KSF * a OOO

Hierbei wird KS ein Wert in mm zugewiesen, wobei a der größte vorhandene Kontaktwinkel a1 und a2 der zwei Kontaktstellen K1 und K2 in Grad ist und ferner KSF ein Wert von 1 bis 8 ist.

Das Kontaktspiel KS kann eingestellt werden, indem bei einem kreiszylindrischen Innenumfang 15a des Innenrings 15 die Oberfläche 12a des Zapfens 12 im Querschnitt an ihrer in Drehrichtung D weisenden Seite zwischen den beiden Kontaktstellen K1 und K2 abgeflacht wird.

Eine solche Abflachung 18 kann beispielsweise durch eine materialabtragende Bearbeitung des Zapfens 12 im Bereich zwischen den Kontaktstellen K1 und K2 erhalten werden, wie dies in Figur 4 angedeutet ist.

Die Abflachung 18 kann in der Querschnittsebene beispielsweise als ebene Fläche bzw. Linie ausgeführt sein. Da dies jedoch mit einem relativ hohen Materialabtrag verbunden wäre, empfiehlt sich eine Konturierung zwischen dem Profil einer solchen ebenen Fläche oder Linie und einem Kreisbogen mit konstantem Radius um die Längsachse Z.

Wie in den Figuren 6 und 7 angedeutet, kann ohne Beschränkung hierauf, die Oberfläche 12a des Zapfens 12 im Querschnitt zwischen den beiden Kontaktstellen K1 und K2 zumindest abschnittsweise durch einen Krümmungsabschnitt H gebildet werden, dessen Radius R3 größer ist als der Abstand der Kontaktstellen K1 und K2 von der Längsachse Z des Zapfens 12.

Ein solcher Krümmungsabschnitt H kann beispielsweise sehr einfach mithilfe eines Basiskreises K und zwei Erzeugendenkreisen E1 und E2 mit den Radien R1 und R2 generiert werden.

Die Erzeugendenkreise E1 und E2 berühren den Basiskreis K an den Kontaktstellen K1 und K2 tangential. In Figur 6 ist der Schnittpunkt der Winkelgeraden der Kontaktstellen K1 und K2 mit S bezeichnet. Dieser Schnittpunkt S kann mit dem Mittelpunkt des Basiskreises K zusammenfallen. Sind die Kontaktwinkel a1 und a2 gleich groß, liegt der Schnittpunkt S auf der Drehrichtungsgeraden D. Er kann jedoch auch gegenüber dem Mittelpunkt des Basiskreises K auf der Drehrichtungsgeraden D versetzt sein. Sind die Kontaktwinkel a1 und a2 verschieden, wird der Schnittpunkt S zur Drehrichtungsgeraden D seitlich versetzt.

Der Krümmungsabschnitt H kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass dieser tangential in die zwei Erzeugendenkreise E1, E2 für die Kontaktstellen K1 , K2 übergeht.

Insbesondere ist hierbei der Radius R1 und R2 der Erzeugendenkreise E1 und E2 kleiner als der Betrag des Radius R3 des Krümmungsabschnitts H.

Der weitere Verlauf des Querschnittsverlaufs der Oberfläche 12a der Zapfen 12 bis zu den Kontaktstellen K1 und K2 kann ausgehend von dem Krümmungsabschnitt H gegebenenfalls durch die Kontur der Erzeugendenkreise E1 und E2 weitergeführt werden, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist.

Jenseits des abgeflachten Bereichs zwischen den Kontaktstellen K1 und K2 kann der Querschnittsverlauf der Oberfläche 12a der Zapfen 12 z.B. kreisförmig sein.

Dies ermöglicht eine zunächst umformtechnische Herstellung der Zapfen 12, an welche sich optional eine kalibrierende Nachbearbeitung vorzugsweise lediglich zwischen den Kontaktstellen K1 und K2 anschließt. Dies ist erheblich weniger aufwendig, als beispielsweise ein Freiformfräsen der gesamten Oberfläche 12a eines Zapfens 12.

Vorzugsweise erfolgt die umformtechnische Herstellung der Zapfen 12 mit einem Formwerkzeug, dessen Werkzeugtrennebene W entlang der Längsachse Z und unter einem Winkel von 90° zur Drehrichtung D verläuft, wie dies in Figur 8 gezeigt ist. Hierdurch kann die Abflachung 18 mit geringem Aufwand erzeugt werden, so dass im Bereich derselben keine oder allenfalls nur noch eine geringfügige Nachbearbeitung nötig wird.

Alternativ kann die umformtechnische Herstellung der Zapfen 12 auch zunächst mit Aufmaß erfolgen, an welche sich dann eine Hartbearbeitung der Zapfenoberfläche 12a anschließt. In diesem Fall kann eine Werkzeugtrennebene Wwie in Figur 8 unter einem Winkel von 90° zur Drehrichtung D oder aber auch in Drehrichtung D, d.h. senkrecht zur Drehachse A des Tripodesterns 10. vorgesehen werden.

Wie in Figur 6 gezeigt, kann der Krümmungsabschnitt H konvex, d.h. nach außen gekrümmt sein. Dies führt zu sehr geringen maximalen Hertz'schen Pressungen im Gelenk 1 sowie einer geringen Belastung der Nadeln 16.

Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, für den Krümmungsabschnitt H einen negativen Radius R3 vorzusehen, womit sich der in Figur 7 beispielhaft dargestellte konkav gekrümmte Verlauf des Krümmungsabschnitts H ergibt. Auch hier reduziert sich die Belastung der Nadeln 16, jedoch sind die maximalen Hertz'schen Pressung im Vergleich zu der Variante gemäß Figur 6 höher.

Weiterhin kann in Abwandlung des oben erläuterten Ausführungsbeispiels ein Kopfspiel KS nicht nur in Lastrichtung, d.h. in der Haupt-Drehrichtung D des Tripodegelenks 1 vorgesehen werden, sondern auch in umgekehrter Drehrichtung hierzu. Dies ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn ein Fahrzeug nicht in einer Hauptfahrtrichtung, sondern vielmehr mit nicht unwesentlichem Anteil in umgekehrter Richtung gefahren wird. Ferner ist dann keine Unterscheidung zwischen einer linken und rechten Gelenkwelle am Fahrzeug erforderlich. Dies bedeutet, dass in den dargestellten Ausführungsbeispielen für jede Drehrichtung, d.h. Richtung D und deren umgekehrte Richtung, eine Abflachung 18 zwischen zwei Kontaktstellen oder Kontaktinselgruppen mit entsprechendem Kopfspiel vorgesehen werden.

Die Erfindung schafft ein Tripodegelenk 1 mit einem Rollelement 13 als Baueinheit, welches anspruchsvollen Belastungskollektiven Stand hält, d.h. mit hoher Belastung betrieben werden kann und/oder eine hohe Lebensdauer aufweist, ohne dass dessen Außenabmessungen zunehmen.

Abschließend sollen mehrere vorteilhafte Verfahren zur Herstellung insbesondere des Tripodesterns 10 vorgestellt werden.

In einem ersten Herstellungsverfahren wird der Tripodestern 10 einschließlich seiner Zapfen 12 umformtechnisch hergestellt. Die Oberfläche 12a der Zapfen 12 wird dabei durch Umformen mittels eines Formwerkzeugs erhalten und nicht etwa beispielsweise durch das herkömmlicherweise hierfür eingesetzte Drehen. Der Zapfen 12 wird somit bei der umformtechnischen Herstellung mit einem in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse Z des Zapfens 12 unrunden Querschnitt versehen, welcher in Drehrichtung D eine Abflachung 18 ausbildet

Hierbei kommt ein geteiltes Formwerkzeug zum Einsatz, dessen Werkzeugtrennebene W in Abkehr von herkömmlichen Fertigungsprozessen im Bereich der Zapfen 12 durch die Längsachse Z des jeweiligen Zapfens 12 und die Drehachse A des Tripodesterns 10 aufgespannt wird. Die Werkzeugtrennebene W verläuft somit unter einem Winkel von 90° zur Drehrichtung D. Dadurch wird vermieden, dass ein Trenngrad am Zapfen 12 in einem der Kontaktbereiche NK und HK liegt.

Die Oberfläche 12a und damit die Kontur des Zapfens 12 wird zumindest im Bereich des Kopfspiels KS, vorzugsweise jedoch insgesamt, umformtechnisch fertiggeformt, wodurch der Fertigungsaufwand besonderes gering bleibt.

Ein umformtechnisches Kalibrieren erfolgt vorzugsweise als Kaltumformung. Ein bisher notwendiges Strahlen des umgeformten Tripodestern-Rohlings, beispielsweise zur Entfernung von Verzunderungen, kann gegebenenfalls entfallen.

Zur Reduzierung der Umformkräfte beim umformtechnischen Kalibrieren kann ein Aufmaß des Tripodestern-Rohlings 10 im Nebenkontaktbereich NK kleiner gewählt werden als in den Hauptkontaktbereichen HK.

Im Vergleich zu einem Drehen oder Fräsen der Oberfläche 12a ergeben sich verschiedene Vorteile. So bestehen bei einer umformtechnisch hergestellten Fertigteilkontur mehr Gestaltungsmöglichkeiten. Insbesondere lassen sich beispielsweise Kontaktstellen mit mehreren Kontaktinseln K1a, K1b, K2a, K2b so leichter fertigen.

Übergänge, welche für die maximalen Bauteilspannungen in Zapfen 12 relevant sind, lassen sich weicher gestalten.

Ferner kann die Abstimmung zwischen dem Kopfspiel KS und den Kontaktstellen präziser und zuverlässiger erfolgen.

Die Oberfläche 12a der Zapfen 12 wird üblicherweise gehärtet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Einhärtetiefe verringert werden, da keine Randschicht durch zusätzliche Zerspanung abgetragen wird. Dies gestattet es, den Härteprozess zu vereinfachen, insbesondere beispielsweise zeitlich zu verkürzen.

Zudem gibt es beim Umformen keine Möglichkeit zum Konturversatz zwischen dem Rohling und dem Fertigteil, woraus eine hohe Prozesssicherheit resultiert.

Ein Fertigkalibrieren kann auf zwei Arten erfolgen.

Im ersten Fall werden lediglich die Hauptkontaktbereiche HK, nicht jedoch der Nebenkontaktbereich NK und die jenseits der Hauptkontaktbereiche HK liegenden Abschnitte der Oberfläche 12a umformtechnisch bearbeitet, so dass man hier von einem lediglich partiellen Kalibrieren der Oberfläche 12a des Zapfens 12 sprechen kann. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in den vergleichsweise geringen Umformkräften.

Im zweiten Fall erfolgt ein umformtechnisches Kalibrieren mittels eines Formwerkszeugs sowohl an den Hauptkontaktbereichen HK als auch im Nebenkontaktbereich NK, wodurch eine höhere Konturgenauigkeit als im erstgenannten Fall erzielt wird, so dass man hier von einem Präzisionskalibrieren sprechen kann.

Bei diesem umformtechnischen Kalibrieren, sowohl im ersten Fall als auch im zweiten Fall, wird geringfügig Material des Zapfens 12 in den Bereich jenseits der Hauptkontaktbereiche HK verdrängt. Hierzu wird bei der Fertigung des Rohlings als Kalibrierausgleich dort etwas Luft (Untermaß) gelassen.

Beim Kalibrieren können zusätzlich definierte Funktionsoberflächenstrukturen vom Werkzeug auf die Oberfläche 12a des Zapfens übertragen werden. Diese können sich beispielsweise durch eine höhere oder geringere Oberflächenrauhigkeit oder sonstige Oberflächenfeingestaltungen gegenüber ihrer Umgebung unterscheiden, beispielsweise um die Schmierstoffversorgung zu beeinflussen.

In einem zweiten Herstellungsverfahren wird zunächst ein Rohling für den Tripodestern 10 einschließlich seiner Zapfen 12 umformtechnisch hergestellt. Die Werkzeugtrennebene W verläuft wie bei dem ersten Herstellungsverfahren quer zur Drehrichtung D, d.h. wie in Fig.

10 angedeutet. Die Trenngrate liegen hierdurch wieder in einem funktionsunkritischen Bereich fernab der Drehrichtung D. Die Zapfen 12 werden an ihren für das Abrollen der Rollelemente 13 relevanten Oberflächen 12a zumindest partiell zunächst mit Aufmaß gefertigt. So kann an dem Rohling bereits eine Abflachung und gegebenenfalls auch eine Auswölbung der Hauptkontaktbereiche HK ausgebildet sein.

Dieser Rohling wird nach einem Härten zum Zweck der Kalibrierung zumindest der Hauptkontaktbereiche HK einer spanabhebenden Hartbearbeitung unterzogen, wodurch letztlich die Fertigkontur erhalten wird. Durch die Vorformung des Rohlings bleiben der Zerspanungsaufwand gering und die nötige Einhärtetiefe moderat.

In einem dritten Herstellungsverfahren wird der Rohling für den Tripodestern 10 in herkömmlicher Weise mit einem Formwerkzeug hergestellt, dessen Werkzeugtrennebene mit der Drehrichtung D zusammenfällt. Die Fertigung des Zapfens 12 erfolgt dabei mit Aufmaß. Nach einem Härten erfolgt eine materialabtragende Hartbearbeitung zur Erzeugung der Fertigkontur der Oberfläche 12a unter Ausbildung der oben erläuterten Haupt- und Nebenkontaktbereiche HK und NK. Optional kann auch hier der Rohling bereits mit einer Abflachung der Zapfen 12 hergestellt werden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und -Varianten näher erläutert. Diese dienen unter anderem dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele, -Varianten und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.

Bezugszeichenliste

I Tripodegelenk 14b Innenumfang des Außenrings

10 Tripodestern 15 Innenring

I I Wellenabschnitt 15a Innenumfang des Innenrings

12 Zapfen 15b Außenumfang des Innenrings

13 Rollelement 16 Nadel (Wälzkörper)

14 Außenring 17 Ringraum

14a Außenumfang des Außenrings 18 Abflachung

A Drehachse des Tripodesterns

B Drehachse des Gelenkaußenteils

D Drehrichtung des Tripodesterns

E1 Erzeugendenkreis der ersten Kontaktstelle

E2 Erzeugendenkreis der zweiten Kontaktstelle

H Krümmungsabschnitt

HK Hauptkontaktbereich

K Basiskreis

K1 erste Kontaktstelle

K1a Kontaktinsel

K1b Kontaktinsel

K2 zweite Kontaktstelle

K2a Kontaktinsel

K2b Kontaktinsel

KS Kopfspiel

NK Nebenkontaktbereich

P Durchdringungspunkt

R1 Radius des Erzeugendenkreises der ersten Kontaktstelle

R1 Radius des Erzeugendenkreises der zweiten Kontaktstelle

R3 Radius des Krümmungsabschnitts

W Werkzeugtrennebene

Z Längsachse des Zapfens a1 Kontaktwinkel der ersten Kontaktstelle a2 Kontaktwinkel der zweiten Kontaktstelle