Gleichlaufgelenk Ingenieure finden Geometrie für konstante Steuerwinkel

Rattern, Klappern oder Brummen – was früher unvermeidlich zum Autofahren dazugehörte, soll das heutige Fahrerlebnis möglichst nicht mehr stören. Gleichlaufgelenke lösen daher immer mehr die älteren Kreuzgelenke ab. Die Ingenieure bei Neumayer Tekfor haben die gängigen Designparameter von bestehenden Gleichlaufgelenken untersucht und eine neue Bahnform entwickelt, die zu einem konstanten Steuerwinkel führt.

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In Gleichlaufgelenken werden die Drehmomente über kleine Kontaktflächen von Laufbahnen zu Kugeln übertragen. Um die Funktion des Gelenks zu gewährleisten, müssen diese Laufbahnen gewisse geometrische Voraussetzungen erfüllen. Eine davon ist, dass der Schnittwinkel zwischen den beiden Laufbahnen nicht zu klein gewählt wird.

Der Wert des Steuerwinkels entspricht der Hälfte des Schnittwinkels zwischen der Außen- und der Innenbahn, in denen die Kugeln sich bewegen, also der Führungskontur im äußeren Ring und jener an der innenliegenden Nabe. Die kritische Grenze liegt bei 4°. Verschiebt sich der Steuerwinkel der umlaufenden Kugeln in einem Gleichlaufgelenk in diesen Bereich, verklemmen sie durch Selbsthemmung.

Da die Bahnverläufe in der Regel nach Kreissegmenten gestaltet werden, variiert der Steuerwinkel während des Gelenkumlaufs. Je größer die Beugung des Gelenks ist, umso weiter fällt die Bandbreite der wechselnden Winkel aus. Bei modernen Gleichlaufgelenken bewegt sich der Steuerwinkel zum Beispiel bei einer Beugung von 4° zwischen 9 und 12°. Eine Reduzierung wäre zwar möglich, die Konstruktion würde dann aber spätestens bei der zur Montage nötigen, einmaligen Überbeugung in den Selbsthemmungsbereich abgleiten. Um ein Verklemmen zu vermeiden, muss diese Variable bei der Festlegung der maximalen Beugewinkel deshalb immer beachtet werden.

Kreisförmiger Bahnverlauf schränkt das Gelenk ein

Gleichzeitig wirken bei der Drehmomentbeaufschlagung die An- und Abtriebskräfte im Gelenk durch den Steuerwinkel nicht senkrecht zur Kugellaufbahn, sondern leicht schräg. Daraus entsteht eine zusätzliche, axiale Kraft, die vom Käfig, in dem die Kugeln sich bewegen, aufgefangen werden muss. Diese steht nicht nur in Relation zum Drehmoment, sondern auch zur Größe des Steuerwinkels. Daher ergibt sich aus der Varianz des Steuerwinkels bei Beugung des Gelenks eine oszillierende Kraft, die in Zusammenspiel mit der Bewegung der diversen Komponenten zu Reibung, Wärmeentwicklung, Verschleiß und Verlusten bei der Leistungsübertragung führt.

Ein möglichst niedriger, gleich bleibender Steuerwinkel würde diese Probleme beheben, was aber bisher an der Kreisform der Kugellaufbahnen scheiterte. Die Entwicklungsingenieure des Automobilzulieferers Neumayer Tekfor unterzogen daher die Bewegungsabläufe der Kugeln innerhalb des Gelenks neuen Analysen, wodurch sich ein alternativer Bahnverlauf ermitteln ließ. Die auf einer komplexen mathematischen Funktion basierende Form macht den Steuerwinkel unabhängig von der Beugung. Auf dieser Basis ließ sich ein Gleichlaufgelenk mit einem festen Steuerwinkel von etwa 5° konstruieren, das NT Epsiconjoint, benannt nach ε für die übliche Variable des Steuerwinkels und con für „constant“.

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