专利名称：球形万向节的制作方法
球形万向节本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的例如用于汽车的 轴系统或车轮悬桂装置的球形万向节。文首所迷类型的球形万向节例如被应用于但决不是仅仅应用于车 轮悬挂装置的领域中或者也作为套筒式万向节例如用于铰接汽车中的 横向稳定器。对这种球形万向节提出的要求尤其包括不仅在承受静态载荷下而 且在承受动态载荷情况下具有高的比承载能力和小的轴承间隙，此外具 有尽可能在汽车的寿命期间的小的维护需求或免维护，尽可能小的质量 和小的结构空间需求。此外其制造应该尽可能在低成本下进行。一般地，球形万向节具有基本上环形的或罐形的万向节外壳，在它 的内腔中布置球形万向节的轴承壳或球壳。在由现有技术已知的球形万;在理想情况;基本上:寸应于万向节球的形状。换言之，球壳的轴承表 面是与球冠的形状相一致的。但是，由于在球壳的加工中的公差以及由于安装球形万向节时的力 的作用，该力尤其是将球壳压入万向节外壳中时产生，在完成安装的球 形万向节上的轴承壳的轴承表面的形状大多数不再与所希望的球形状 或球轴颈的球的形状相一致。相反，球壳的形状此时常常大约对应于一种旋转椭圆体，其较大的半轴与球轴颈的或球套筒的纵轴线重合。换言 之，这意味着，在球和球壳之间的接触常常不是象本来所希望的那样整式进行々，-口 、.'' 、'、: 乂 /1 :'、'.球形万向节的纵剖面在大约其最大直径的区域具有一个由于几何结构 上的原因造成的特别小的壁厚。除了所述的形状偏差以外，这还使得球 壳在该中部部段中具有特别高的弹性常数或特别小的弹性。 结果这两种情况都导致在由现有技术已知的球形万向节中在球和 球壳之间的表面压力通常都不符合在整个可以使用的轴承表面上的理 想的均匀的载荷分布。相反，大部分载荷集中在相对于通过球形万向节
的纵剖面位于其最大直径的区域中的所述的球壳的中部部—歐上。这导致 已知的球形万向节的不均匀的增大的轴承磨损、过早增大的轴承间隙、 更小的承载能力和降低的寿命。在这种背景下本发明的任务是提供一种球形万向节，由此克服现有保持尽可能平稳均匀的变化,、球形万向节的比承载能力和负荷量应该得 到提高，万向节间隙应该被减小，以及寿命应该得到提高。该任务通过具有权利要求1的特征的球形万向节解决。优选的实施 形式是从属权利要求的内容。按照本发明的球形万向节首先包括一个本身已知的基本上环形的 或罐形的万向节外壳。该万向节外壳具有基本上柱形的内腔，其中可以 布置球形万向节的球壳。在球壳中可以滑动运动地安装球轴颈的J求或球 形万向节的球套筒。但是按照本发明，球形万向节的特征在于球壳的轴承表面基本上与 一个旋转椭圆体的表面相一致。旋转椭圆体的较小的半轴此时与球形万 向节的轴向重合，即与球轴颈的纵轴线或与球套筒的纵轴线重合。与现有技术不同，球壳的轴承表面的旋转椭圆体式的构形在安装后 的球形万向节的情况下导致在球表面和球壳之间的接触是明显更大面 积地和在更加均勻的表面压力分布下进行的。由于轴承表面的形状基本 上与旋转椭圆体相一致，因此文首所述的变形影响和公差得到反向补 偿，这种变形影响和公差在现有技术中导致在球和球壳之间通常仅仅为 线接触或者条状接触。此外，由于不同的球壳壁厚在球壳的不同部位中 产生的不同大小的球壳弹性被抑制。此时术语"旋转椭圆体"或"旋转椭圆体式"自然不应该按照严格的 数学意义进行理解。而是应该按照本发明要求一种球壳，其在通过球形域;的曲率半径稍微小于球壳的轴向边缘区域:','优选地，旋转椭圆体式地成形的球壳的较大的半轴此时与球形万向节的球的半径相一致。换言之，这意味着球壳的轴承表面和万向节3求在球壳的轴向边缘区域中，即在万向节外壳的端部的区域中，在几何上是 相切的或者在数学意义上是相互穿过的。由于在安装后的球形万向节情 况下轴承面的实际的相互穿过是不可能的，这种结果导致在球壳和万向
节球之间的 一 定的限定的预张紧。由于按照本发明的球壳的成形形状， 该轴承面的穿过或该限定的预张紧特别地集中在球壳的轴向边缘区域 上并且随着逐渐靠近球壳的中部区域而不断减小。以这种方式在装配后的球形万向节中得到 一种在球壳和万向节球 之间的无间隙的整个面的支承，其中此外在承载情况下能够实现在球壳 和万向节球之间整个接触面上表面压力的均匀分布。由此也提高了球形 万向节的比承载能力和承载量，在相同的尺寸下可以提高寿命，并且球 形万向节由于轴承表面承受均匀的载荷而在相当更长的时间上保持所 希望的无间隙状态。为了实现本发明，采用什么方式使球壳获得按照本发明的椭圓体式 地成形的轴承表面不是主要的。这例如可以考虑将先用球形的轴承表面 制造的球壳随后补充地例如也在压入到轴承外壳中的过程中被塑性地 或者弹性地变形加工，以便获得规定的旋转椭圆体式的轴承表面。但 是，按照本发明的一个优选实施形式，球壳具有在制造方面或者模具方 面上就已经椭圆体式地成形的轴承表面。换句话说，这是指所希望的球 壳的椭圆体式的成形形状在球壳的原始成形时就已经产生。这样在万向 节球和球壳之间的所希望的几何重叠的程度能够非常精确地和可重复地调整。按照本发明的另一个实施形式，球壳的表面在球壳的外周面上至少 稍微凹形地构成。类似于先前针对万向节球和球壳所述的那样，这也导 致在球壳和万向节外壳之间的按区域地几何重叠，在该情况下是在球壳 外表面和万向节外壳内表面之间。这样还能够附加地也使在球壳和万向 节外壳之间的接触得到改善并且使得在球壳外表面和万向节外壳内表 面之间的表面压力分布同样能够更均匀地和由此更具承载能力地构 造。按照本发明的另一个实施形式，球壳具有一个相对于球形万向节在 轴向上的开口。换言之，这是指球壳不再是一个闭合的环，而是在制造方面上呈现出一种"c，，的形状(具有非常小的开口宽度)。这在简化球形万向节的安装上是有利的。此外，球壳中的开口能够用于吸收球形 万向节工作时的热膨胀，这在按照本发明的球形万向节中是非常重要 的，因为由于球壳是椭圆体式的成形形状，使得球壳非常密切地和无间 隙地支承在万向节球和万向节外壳上，基本上没有可能吸收热膨胀。按照本发明的 一 个特别优选的实施形式，球壳由可注塑的热塑性材 料制造，尤其是用聚曱醛制造。聚曱醛具有非常低的摩擦阻力，同时具有良好的耐磨损性和高的弹性的弹簧能力(Federverm6gen )。此外聚甲 輕具有高的耐化学腐蚀性，这一点由于在汽车中存在润滑剂和其它燃料 而具有重要性。球壳在万向节外壳中的固定或锚固的方式对于实现本发明不是非 常重要的。但是按照本发明的一个优选实施形式，球壳在轴向上从两侧 形状匹配连接地支撑在万向节外壳中。特别优选地，此时形状匹配连接 的轴向支撑包括球壳的端面的至少80%。以这种方式，始终在一定程度 上弹性的或有塑性蠕变倾向的球壳被特别有效地支撑并且环绕地几乎 完全地一皮包围。以下仅依据所示附图中的实施例对本发明进行详细描述。附图中所示
图1是按照现有技术的球形万向节的纵剖示意图； 图2是一个旋转椭圆体的示意图；图3是按照本发明的套筒式万向节的一个实施形式的半纵剖示意图； 图4是另一个旋转椭圆体的示意图；图5是按照图3的套筒式万向节的万向节球的球壳和轮廓的放大示意图；图6是在按照现有技术的球形万向节和按照本发明的球形万向节之 间的表面压力分布的比较的示意图；图7是按照本发明的球形万向节的 一 个实施形式的球壳在原始成形后的等角示意图；图8是按照图7的球壳在安装状态下的对应于图7的一个视图；和 图9是按照现有技术的球形万向节的球壳。图1以纵剖示意图显示了按照现有技术的一个球形万向节。可以看 到基本上为罐形的万向节外壳1和安装在其中的轴承壳或球壳2。在球 壳2的内腔中又安装了球轴颈4的球3。可以明显地看到，球壳2在其相对于球轴颈4的轴向而言的中部区 域5中的壁厚特别小，而在朝着球壳2的端面的末端区域6的方向上壁 厚大大增加并且在那里的壁厚是在球壳2的中部区域5中的厚度的数 倍。
但是这导致，如开头已经说明的那样，球壳2在其中部区域5中具 有比在沿轴向接近末端的区域6中高数倍的弹性常数或低得非常多的柔 度。但是，由于这种不均匀的柔度， 一旦球形万向节承受载荷，就不可 避免地会产生不均匀的表面压力分布，即使在假设球壳2的轴承表面具 有理想的球形的情况下。在轴承壳2的表面10上施加的这种不均匀的 表面压力分布例如示于图6中，其中用X表示的曲线反映了按照图1所 示的现有技术的球形万向节的表面压力分布。强烈地集中在球壳2的中部部段5上的表面压力分布X即使在轴承 表面是理想的球形的假设情况下也得到这样的结果，即靠近边缘的球壳 2的区域6由于其较大的柔度在承受载荷时，与中部区域5比较，在没有承受主要的力的情况下就更强烈地弯曲，由此球壳2的中部区域5由 于其非常小的柔度而必然必须承受大部分的承重份量。此外，球壳2在安装到万向节外壳1中时大多数还被这样地弹性变 形，使得球壳2的轴承表面，从其原始球形出发，在装入之后具有基本 上竖椭圆体地成形的表面，参见图2中的具有主轴a， b的旋转椭圆体7 的示意图，以做比较。此时通过球壳2的轴承表面形成的椭圆体7的较长的主轴a与球轴 颈3的纵轴线重合。但是这意味着即使在球形万向节处于载荷中性的状 态下在万向节球3和稍微竖椭圆体地变形的球壳2之间就已经没有发生 面接触了 。相反实际希望的面接触由于球壳2的变形基本上变换成球壳 2的中部区域5中，亦即在其最小的壁厚的区域中的线接触。所以这些的结果是导致在万向节球3和球壳2之间的差的表面承压 图，造成有关球形万向节的寿命、磨损、无间隙性和载荷能力方面的相 应的不利结果。图3显示了此处构造成套筒式万向节的按照本发明的球形万向节的 一种实施形式。首先可以看到环形的或柱形的万向节外壳1以及布置在 万向节外壳1内部的球壳2。球壳2的内腔中此处布置球套筒8的万向 节球3。球壳2此时通过在万向节外壳1或球壳2的端部区域中布置的 密封圈9，结合在万向节外壳1和万向节球3上的面支承，几乎被完全 地封闭住。这样在最大程度上避免了球壳2的材料的可能的潜伸，这同 样有利于球形万向节的寿命和无间隙性。
球壳的形式由按照图4的横椭圆体的示例性的示意图或由按照图5 的球壳2放大视图得到。在图5中可以看到，球壳2在所示的实施形式 中不仅在位于内部的轴承表面10的区域中而且在其基本上柱形的外表 面11的区域中相对于万向节球3的表面12或相对于柱形的外部形状13 具有在其轴向端面侧的方向上增大的过盈尺寸。换言之，这意味着按照 图3和5的球壳2的轴承表面10不再象现有技术中那样为球形的(或 实际上常常是竖椭圆体的，参见图l和2)，而是具有基本上为横椭圆 体的形状。但是此时在这种情况下旋转椭圓体的较短的主轴b与球形万 向节或球套筒的纵轴线重合，参见按照图4的横椭圓体的示意图。结合球壳2的稍微凹形地构造成的外部轮廓11,球壳2的轴承表面 10的旋转椭圆体的成形形状使得前面所述的在球壳2的中部区域5的载 荷集中的影响得到克服，其中使球壳2的更接近边缘的区域6获得在径 向预张紧上的限定的尺寸。由此在球形万向节的组装后的状态下得到在 球壳2和万向节球3之间的整个面的接触，这和所述的径向预张紧一起 导致在万向节球3和球壳2之间的表面压力分布比较平緩。这示例性地在图4中以曲线Y的形状示出。依据与对应于现有技术 的曲线X的比较可以明显地看到，载荷F均匀地分布在球壳2的整个可 供使用的表面上。这导致球形万向节的所述的更高的承载量、提高的承 载能力和更长的寿命同时持续的最小轴承间隙。图7和8显示了按照本发明的球形万向节或套筒式万向节的一个实 施形式的球壳2，其中球壳2在图7所示的状态下直接在原始成形之后， 例如在球壳由热塑性材料用注塑方法制成的情况下，示出。图8显示了 在安装状态下的同一个球壳2。按照图7和8的球壳借助于开口 14在轴 的纵向上被分开，这首先简化了球形万向节的安装。万向节外壳1、球 壳2和开口 14的宽度此时可以这样设计尺寸，使得球壳2的开口 14在 球形万向节的安装的状态下不是被完全封闭。在球形万向节的安装状态 下开口 14留出的很小的开口宽度在这种情况下用于吸收球壳2的材料 的热膨胀，以便以这种方式预防球形万向节的机械夹紧和与之相关联的 运4亍困难。但是目前由于只有一个惟一的并且在组装中非常窄的开口 14,因此 开口 14只是在较小的程度上减小了球壳2的承载表面，从而球形万向 节的最大承载能力实际上没有受到限制。
即使在这方面按照本发明的具有按照图7和8所示的球壳的球形万向 节的当前考虑的实施形式也与现有技术有区别。因为在现有技术中，通常 采用具有多个宽的开口的球壳15，如例如在图9中所示的。这种球壳15 虽然同样可以很容易地安装，但是由于这种球壳15有很多的宽的开口， 一方面球壳15的承载面的比例被相当大地减少了。另一方面球壳5的材 料在承受载荷时可能潜伸到由于开口而空出的空间中，由此球壳15的壁 厚减小并且因而在结果上可以产生相当大的非所希望的轴承间隙。与现有技术比较，采用按照图7和8所示的开口的球壳2因此同样 能够提高球形万向节的可靠性、承载能力和寿命。结果很明显，通过本发明提供了一种球形万向节，其相对于由现有 技术已知的球形万向节具有尤其是在寿命、故障安全性和承载能力方面 的优点。在球壳和万向节球之间的轴承缝隙中的均匀的表面压力分布保 证了特别小的磨损和低的摩擦力矩。由此本发明为改善球形万向节的可 靠性和免维护作出了贡献，尤其是在汽车上的轴系统和车轮悬桂装置的 领域中的应用方面。标号表1万向节外壳 2球壳3 万向节球4 球轴颈5 球壳的中部区域6 球壳的靠近边缘的区域7 竖椭圆体 8球套筒9 密封圏10轴承表面11凹形的外部，仑廓12球表面13柱形的外部轮廓14开口15球壳
权利要求
1.球形万向节，例如用于汽车的轴系统，包括基本上环形的或罐形的万向节外壳(1)，在该万向节外壳的基本上柱形的内腔中可以布置球壳(2)，一个球轴颈(4)或球套筒(8)的球(3)可以滑动运动地安置在在该球壳(2)中，其特征在于，球壳(2)的轴承表面(10)基本上与一个旋转椭圆体的表面相一致，该旋转椭圆体的较小的半轴(b)与球形万向节的轴向重合。
2. 按照权利要求1所述的球形万向节，其特征在于，球壳的较大的 半轴(a)与万向节球的半径的长度相一致。
3. 按照权利要求1或2所述的球形万向节，其特征在于，球壳(2) 在模具方面上就已经具有按照椭圓体式地成形的轴承表面(10)。
4. 按照权利要求1至3之一所述的球形万向节，其特征在于，球壳 (2)的表面(11 )在球壳(2)的外周面上凹形地构成。
5. 按照权利要求1至4之一所述的球形万向节，其特征在于，球壳 (2)在轴向上具有一个开口 ( 14)。
6. 按照权利要求1至5之一所述的球形万向节，其特征在于，球壳 (2)由可注塑的热塑性材料，尤其是由聚甲醛制成。
7. 按照权利要求1至6之一所述的球形万向节，其特征在于，球壳 (2)在万向节外壳(1)中沿着轴向在两侧被形状匹配连接地支撑。
8. 按照权利要求7所述的球形万向节，其特征在于，形状匹配连4妻 的轴向支撑在每种情况下包括球壳(2)的端面的至少80%。
全文摘要
本发明涉及一种球形万向节，例如用于汽车的轴系统。该球形万向节包括基本上环形的或罐形的万向节外壳(1)，在该万向节外壳的基本上柱形的内腔中可以布置球壳(2)。一个球轴颈(4)或球套筒(8)的球(3)可以滑动运动地安置在该球壳(2)中。按照本发明，该球形万向节的特征在于，球壳(2)的轴承表面(10)基本上与一个旋转椭圆体的表面相一致，该旋转椭圆体的较小的半轴(b)与球形万向节的轴向重合。按照本发明的球形万向节在寿命、故障安全性和承载能力方面提供了优点。在球壳和万向节球之间的轴承缝隙中的均匀的表面压力分布保证了很小的磨损和低的摩擦力矩。
文档编号F16C11/06GK101163896SQ200680013031
公开日2008年4月16日 申请日期2006年4月20日 优先权日2005年4月21日
发明者H·诺, M·蔡德勒, M·雷克蒂恩 申请人:Zf腓特烈港股份公司