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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Kugelgelenkes.
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Kugelgelenke,
wie sie beispielsweise in Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen
zum Einsatz kommen, weisen grundsätzlich einen ähnlichen
Aufbau auf. So bestehen sie aus einem Gehäuse und einem
Kugelzapfen, dessen Gelenkkugel in einer Lagerschale, die auch aus
mehreren Lagerschalenteilen gebildet sein kann, dreh- und schwenkbar
aufgenommen ist. Bei der Montage eines Kugelgelenkes ist darauf
zu achten, dass zwischen der Gelenkkugel und der diese umschließenden
Lagerschale eine möglichst geringe Reibung vorhanden ist.
Als Gradmesser der Reibung dient dabei das am Kugelzapfen messbare
Drehmoment, wenn der Kugelzapfen aus seiner Neutrallage heraus verschwenkt
oder gedreht wird. Dieses Drehmoment ist neben den eingesetzten
Materialien der Lagerschale sowie der Oberfläche der Gelenkkugel
auch von den Vorspannkräften abhängig, die sich
montageabhängig ausgehend von der Lagerschale auf die Gelenkkugel
und damit den Kugelzapfen und dessen Beweglichkeit auswirken. Man
unterscheidet Axialgelenke und Radialgelenke, wobei ein maßgebliches
Kriterium für diese Unterscheidung die Richtung der hauptsächlich
in das Kugelgelenk eingeleiteten Kräfte ist. Wirken diese
Kräfte bezogen auf die Längsachse des Gehäuses,
die bei nicht ausgelenktem Kugelzapfen mit der Längsachse
des Kugelzapfens zusammenfällt, in radialer Richtung, geht
man von einem Radialgelenk aus. Ebenso verhält es sich
beim Axialgelenk, dessen Krafteinleitung hauptsächlich
in axialer Richtung erfolgt. Zum Teil ist bei Kugelgelenken eine
Elastizität der Lagerschale gewünscht, um beispielsweise
in begrenztem Umfang Bewegungen des Kugelzapfens innerhalb des Kugelgelenkes
oder Toleranzen ausgleichen zu können.
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Eine
mehrteilige und aus einem Kunststoff-Metall-Verbundwerkstoff hergestellte
Lagerschale und ein hiermit ausgestattetes Kugelgelenk geht am Beispiel
eines Axialgelenkes aus der
EP
0 922 868 A2 hervor. Neben dem Umstand, dass die Lagerschale
nach dieser Druckschrift eine Eigenelastizität aufweist
und damit einer Bewegung des Kugelzapfens in gewissen Grenzen nachgibt,
weist das beschriebene Kugelgelenk ferner zusätzlich einen Dämpfungsring
auf.
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Eine
weitere Möglichkeit, die Lagerschale für ein Kugelgelenk
elastisch auszuführen, besteht darin, in die Lagerschale
Nuten und/oder Schlitze einzubringen. Eine solche Lösung
geht zum Beispiel aus der
DE-AS
1 098 377 hervor und ist sowohl für einteilige,
wie auch für mehrteilige Lagerschalen geeignet.
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Die
DE 195 45 567 C2 beschreibt
darüber hinaus ein Kugelgelenk mit einer einteiligen Lagerschale,
welche mit einem Filmscharnier ausgestattet ist. Das Filmscharnier
dient gemäß dem Offenbarungsgehalt der Druckschrift
dazu, die Gelenkkugel des Kugelzapfens in die Lagerschale einsetzen
zu können, bevor die somit geschaffene Baueinheit insgesamt
in ein Gehäuse eingesetzt wird. Das Filmscharnier weist
nach der Montage des Kugelgelenkes die Möglichkeit auf,
eine begrenzte Nachgiebigkeit der Lagerschale und damit eine zusätzliche
Elastizität zu gewährleisten, was bedeutet, dass
der Kugelzapfen in Richtung quer zu seiner Längsachse in dem
Gehäuse bewegbar gelagert ist.
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Insbesondere
bei Kugelgelenken mit einer mehrteiligen Lagerschale konnte jedoch
festgestellt werden, dass ein hinreichender Elastizitätsausgleich mit
durch das Material und die Geometrie der Lagerschale definierten
Eigenschaften bei gleichzeitig befriedigender Stabilität
der Lagerschale bei den bekannten Lösungen nicht gegeben
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk zur Verfügung
zu stellen, dessen Lagerschale einen definierten Elastizitätsausgleich
ermöglicht und somit Rückstelleigenschaften aufweist, ohne
Einbußen hinsichtlich der erforderlichen Stabilität
der Lagerschale hinnehmen zu müssen. Ferner ist ein Verfahren
anzugeben, dass die Herstellung eines derartigen Kugelgelenks ermöglicht.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen
der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Ein
Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse
und einem Kugelzapfen, dessen Gelenkkugel in einer Lagerschale dreh-
und schwenkbar gelagert ist, wurde erfindungsgemäß dahingehend
weitergebildet, dass die Lagerschale einen durch ein Trennverfahren,
wie z. B. einen Platinenschnitt oder Stanzen, hergestellten und
umgeformten Blechstreifen enthält.
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Der
Blechstreifen weist zumindest einseitig Ausnehmungen auf, so dass
an der Lagerschale Zacken oder Zähne gebildet sind. Die
Enden der Zacken oder Zähne weisen nach der Umformung des Blechstreifens
zur kugelförmigen Lagerschalenform nach innen zur Mittelachse
des Kugelzapfens hin. Des Weiteren weisen die Enden der Zacken oder Zähne
einen Abstand auf.
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Die
Ausnehmungen oder Zacken oder Zähne können V-förmig
ausgebildet sein. In dem Fall laufen die Zacken oder Zähne
spitz zu. Eine weitere günstige Form der Zacken oder Zähne
ist eine trapezartige Ausbildung. Selbstverständlich können
auch die Ausnehmungen trapezartig sein.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis
von Tiefe der Ausnehmungen oder Zacken oder Zähne zur Breite
bzw. des Abstands der Zacken- oder Zahnenden etwa 2/3 zu 1/3 beträgt.
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Durch
den Blechstreifen an oder in der Lagerschale weist diese eine verbesserte
Stabilität auf. Die Kombination elastischer Eigenschaften
und höherer Festigkeiten bei der erfindungsgemäßen
Lagerschale ergibt insgesamt eine reibungsoptimierte Bauteilpaarung.
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Entsprechend
einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lagerschale
aus mehreren Lagerschalenteilen besteht und zumindest ein Lagerschalenteil
einen Blechstreifen enthält.
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Die
mehrteilige Ausführung einer Lagerschale eines Kugelgelenkes
gestattet einen wesentlich breiteren Gestaltungsspielraum bei der Auslegung. So
ist es beispielsweise möglich, unterschiedliche Materialien
oder Materialzusammensetzungen für die Lagerschalenteile
zu verwenden, was eine weitere Optimierung der Reibbeiwerte mit
sich bringt.
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Darüber
hinaus kann es von erheblichem Vorteil sein, wenn zumindest ein
Lagerschalenteil insgesamt aus einem metallischen Material besteht oder
Metall enthält. Durch eine derartige Ausführung kann
die Reibung extrem minimiert werden. Zudem ist ein derartig ausgelegtes
Kugelgelenk in der Lage, höhere Belastungen aufzunehmen,
als herkömmliche Bauformen. Insbesondere die sich bei Kugelgelenken
in Kraftfahrzeugen als problematisch erweisenden „Losbrechmomente”,
die sich insbesondere nach längerem Stillstand eines Kugelgelenkes
zwischen den Reibpartnern Lagerschale und Gelenkkugel einstellen
können, sind mit derartigen Ausführungen vermeidbar.
Somit kann auch die Lebensdauer eines derart ausgestatteten Kugelgelenkes
entscheidend verbessert werden, denn insbesondere die erwähnten
Losbrechmomente führen zu verstärktem Verschleiß und
damit der Gefahr eines vorzeitigen Ausfalls eines Kugelgelenkes.
Insbesondere aufgrund des Platinenschnittes der metallischen Schicht des
Lagerschalenteiles bleibt dieses auch als Metallteil elastisch.
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Eine
weitere sehr vorteilhafte Lösung wird ferner darin gesehen,
dass das Lagerschalenteil mit dem Blechstreifen aus einem Verbundwerkstoff
besteht und wenigstens eine Kunststoffschicht aufweist. Hierbei
können die positiven Dämpfungseigenschaften eines
Kunststoffes sowie seine Toleranzen ausgleichenden Eigenschaften
in sehr vorteilhafter Weise mit den zuvor genannten Elastizitäten
und Festigkeiten des metallischen Bandes kombiniert werden. Dabei
ist es möglich, eine oder mehrere Kunststoffschichten vorzusehen.
Folglich kann das metallische Band zum Beispiel zwischen zwei Kunststoffschichten
eingebettet werden. Eine andere Ausführungsvariante ist
darin zu sehen, dass das metallische Band unmittelbar mit einer
seiner Oberflächen an der korrespondierenden Innenoberfläche
des Gehäuses zur Anlage kommt. Diesem Erfindungsgedanken
folgend können auch sämtliche Lagerschalenteile
aus unterschiedlichen Materialien beziehungsweise Materialzusammensetzungen
bestehen.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die Lagerschalenteile jeweils unter
einer axialen und/oder radialen Vorspannkraft in das Gehäuse
eingesetzt werden. Die Ausrichtung der Vorspannkraft in axialer oder
radialer Richtung richtet sich nach der Ausführung des
entsprechenden Kugelgelenkes. Auch hierbei unterscheidet man Axialgelenke
und Radialgelenke. Die auf die Lagerschale beziehungsweise die Lagerschalenteile
aufgebrachte Vorspannkraft ermöglicht später den
Ausgleich der auf das Kugelgelenk einwirkenden Kräfte im
Rahmen der bereits vorhandenen Vorspannkraft.
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Eine
zusätzliche Steigerung der Elastizität des erfindungsgemäßen
Kugelgelenkes und der darin enthaltenen Lagerschale lässt
sich erreichen, indem im fertig montierten Kugelgelenk an dem Lagerschalenteil
mit dem Blechstreifen ein Abstand bzw. Spaltabstand im Sinne einer
Trennfuge vorhanden ist. Die Trennfuge wird erfindungsgemäß dazu
genutzt, einen Ausgleich der Bewegung der Lagerschale gegenüber
dem Kugelzapfen zu ermöglichen.
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Die
Trennfuge kann erfindungsgemäß einen Spaltabstand
zwischen 0,3 und 0,7 Millimeter aufweisen. Ein bevorzugter Spaltabstand
beträgt jedoch 0,5 Millimeter. Hierbei haben sich optimale
Elastizitätswerte an einer erfindungsgemäßen
Lagerschale herausgestellt.
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Zur
verbesserten Kompensierung der über den Kugelzapfen in
das Kugelgelenk eingeleiteten Kräfte ist es darüber
hinaus von Vorteil, wenn die Lagerschale elastisch ausgeführt
und zumindest ein Lagerschalenteil eine konische Anlagefläche
aufweist, mit der sich diese an einer korrespondierenden Innenoberfläche
des Gehäuses abstützt. Aufgrund der konischen
Ausgestaltung der miteinander korrespondierenden Anlageflächen
der Lagerschale und des Gehäuses können Kräfte
sowohl in axialer als auch in radialer Richtung optimal abgefangen
werden. Ein derartig ausgestattetes Gelenk kann sowohl als Axialgelenk
als auch Radialgelenk ausgeführt sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
Kugelgelenkes weist mindestens die nachfolgenden Verfahrensschritte
auf:
- – Herstellung eines bandförmigen
Lagerschalenrohlings aus einem Blechstreifen,
- – Einbringung einer zacken- oder zahnartigen Kontur
in eine Längsseite des Lagerschalenrohlings mittels eines
Trennverfahrens, sodass der Lagerschalenrohling die Geometrie einer
Abwicklung der Lagerschale aufweist,
- – Umformung des Lagerschalenrohlings, sodass eine Lagerschale
mit einer kugelförmigen Lagerfläche beziehungsweise
ein Lagerschalenteil mit einer kugelförmigen Lagerfläche
gebildet wird.
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Das
angegebene Verfahren ist fertigungstechnisch sehr einfach durchzuführen
und ermöglicht darüber hinaus die Bereitstellung
von Lagerschalen, die optimal und belastungsabhängig ausgelegt
werden können. Die zacken- oder zahnartigen Kontur einer
Längsseite des Lagerschalenrohlings ermöglicht bei
der fertig gestellten Lagerschale eine zusätzliche Verbesserung
der elastischen Eigenschaften dieser Lagerschale.
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Entsprechend
einer Ausgestaltung dieser Erfindung kann die Erzeugung des Lagerschalenrohlings
zumindest teilweise durch Stanzen erfolgen. Die Anwendung eines
Stanzverfahrens ermöglicht eine sehr kurze Taktzeit zur
Herstellung der Lagerschalenrohlinge.
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Das
Stanzverfahren oder ein Platinenschneidverfahren können
dabei sowohl zur Erzeugung von Lochungen als auch zur Herstellung
der zacken- oder zahnartigen Kontur zum Einsatz kommen. Darüber
hinaus ist es denkbar, einen erfindungsgemäßen
Lagerschalenrohling insgesamt und in einem Arbeitsgang durch ein
Stanzverfahren oder ein Platinenschneidverfahren herzustellen.
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Insbesondere
Platinenschnitte sind mit einer hohen Präzision durchführbar,
so dass auch baulich kleine Abmessungen, wie sie vorliegend bei
der Fertigung einer Lagerschale auftreten, ausgeführt werden
können. Deshalb sind derartige Fertigungsverfahren vorliegend
besonders vorteilhaft anwendbar.
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Zur
Umformung des Lagerschalenrohlings und der Bildung einer kugelförmigen
Lagerschale beziehungsweise eines kugelförmigen Lagerschalenteiles
kann ein Rollverfahren angewendet werden. Durch das Rollverfahren
kann die kugelförmige Kontur der Lagerfläche der
Lagerschale beziehungsweise des Lagerschalenteiles optimal und mit
hoher Präzision erzeugt werden.
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Wie
eingangs bereits erwähnt wurde, ist es von Vorteil, bei
der Montage des Kugelgelenkes eine Vorspannkraft auf die Lagerschale
aufzubringen.
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Die
Vorspannkraft ermöglicht beim fertig montierten Kugelgelenk
den Ausgleich der über den Kugelzapfen in die Lagerschale
eingebrachten Kräfte zumindest in begrenztem Umfang und
wirkt Toleranz-ausgleichend.
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Um
die Reibungswerte und das damit einhergehende Losbrechmoment des
Kugelzapfens innerhalb des Kugelgelenkes vorab möglichst
genau definieren zu können, wird ferner vorgeschlagen,
dass während der Montage der Kugelgelenkbauteile die zur
Bewegung des Kugelzapfens innerhalb der Lagerschalen erforderlichen
Drehmomente in definierten Abständen gemessen werden und
das Kugelgelenk erst bei Erreichung eines vorgegebenen Drehmomentes
verschlossen wird, so dass das zuletzt ermittelte Drehmoment erhalten
bleibt. Auf diese Weise lassen sich die Reibbeiwerte und die innerhalb
des Kugelgelenkes auftretenden Drehmomente zuverlässig
einstellen und auch für eine Großserienproduktion
wiederholbar gestalten. Die somit erzeugten Kugelgelenke weisen
eine gleich bleibende Qualität auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele
stellen keine Einschränkung auf die dargestellten Varianten
dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung des Prinzips
der Erfindung. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen
zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen
gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile
verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile
bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht
vorhanden sind.
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Es
zeigen:
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1:
eine aufgebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Kugelgelenkes,
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2:
einen Stadienplan der Herstellung eines Lagerschalenbauteiles,
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3:
ausschnittsweise einen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsvariante
einer mehrschichtig ausgeführten Lagerschale und
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4:
ausschnittsweise eine zweite Variante einer mehrschichtig ausgeführten
Lagerschale im Schnitt.
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In
der 1 ist ein Kugelgelenk in einer räumlichen
Ansicht gezeigt, bei dem es sich vorliegend um ein Axialgelenk handelt.
Das Kugelgelenk weist ein Gehäuse 1 auf, in dem
ein Kugelzapfen 2 schwenk- und drehbar gelagert ist. Die
Lagerung des Kugelzapfens 2 in dem Gehäuse 1 erfolgt über
eine an dem Kugelzapfen ausgebildete Gelenkkugel 3. Diese
Gelenkkugel 3 ist in einer insgesamt mit 6 bezeichneten
Lagerschale aufgenommen. Die Lagerschale 6 besteht bei
dem in 1 gezeigten Kugelgelenk aus zwei Lagerschalenteilen 4 und 5.
Das Lagerschalenteil 4 wurde bei dem Ausführungsbeispiel aus
einem Kunststoff begrenzter Elastizität hergestellt, während
das Lagerschalenteil 5 aus einem metallischen Werkstoff
besteht, beziehungsweise ein Blechstreifen 7 aufweist.
Da der Blechstreifen 7 durch ein Rollverfahren hergestellt
wird, und somit zu einer kugelförmigen Kontur des Lagerschalenteiles 5 umgeformt
ist, weist das Lagerschalenteil 5 einen Spaltabstand 9 auf,
der eine Trennfuge 9 dieses Lagerschalenteils 5 bildet.
Das in der 1 obere, aus Kunststoff bestehende
Lagerschalenteil 4 weist zudem eine Anlagefläche 10 auf,
die konisch ausgeführt ist. Diese Anlagefläche 10 korrespondiert
mit einer konischen Anlagefläche der Innenoberfläche 11 des
Gehäuses 1. Die Anlagefläche 10 des
Lagerschalenteiles 4 liegt dabei unmittelbar an dieser
Innenoberfläche 11 des Gehäuses 1 an.
In dem Lagerschalenteil 4 sind zudem Schlitze 17 vorhanden,
die die Elastizität des Lagerschalenteils 4 verbessern.
Im Übergangsbereich zwischen der Gelenkkugel 3 und einem
Zapfenabschnitt 13 des Kugelzapfens 2 weist dieser
einen Kugelzapfenhals 12 auf. Der Kugelzapfenhals 12 ist
verglichen mit dem Zapfenabschnitt 13 in seinem Querschnitt
reduziert und verfügt über eine nutartige, geschwungene
Kontur. Zur Abdichtung der inneren Gelenkbauteile gegen das Eindringen
von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit verfügt das Kugelgelenk über
einen Dichtungsbalg 14. Dieser ist mittels eines Spannringes 15 an
der Außenoberfläche des Gehäuses 1 befestigt.
Das gegenüberliegende Ende des Dichtungsbalges 14 wird
mit einem Spannring 16 am Zapfenabschnitt 13 des
Kugelzapfens 2 festgelegt. Da es sich bei dem dargestellten Kugelgelenk
um ein Axialgelenk handelt, weist dieses zur Befestigung in einem
Kraftfahrzeug einen Gehäusezapfen 18 auf, der
sich am Gehäuse 1 auf der dem Zapfenabschnitt 13 gegenüberliegenden Seite
des Kugelgelenkes befindet und ein Anschlussgewinde aufweisen kann.
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Die 2 zeigt
einen Stadienplan, bestehend aus den einzelnen Phasen a, b und c
zur Herstellung eines Lagerschalenteiles 5. Danach wird
zunächst ein Lagerschalenrohling aus einem metallischen
Band oder Blechstreifen 7 hergestellt. Dieser weist eine
rechteckige Geometrie auf, wie dies aus dem Bildteil a) der 2 hervorgeht.
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In
einem weiteren, im Bildteil b) in 2 gezeigten
Fertigungsschritt werden im Anschluss daran in den Blechstreifen 7 mit
gleichem Abstand zueinander Bohrungen 20 eingebracht. Mittels
eines Platinenschnittes oder Stanzen erfolgt dann die Einbringung
von Ausnehmungen oder Ausklinkungen 19 auf einer Seite
des Blechstreifens 7, das somit einseitig eine zacken-
oder zahnartige Kontur erhält. Im Bildteil b der 2 ist
ferner ein Pfeil A gezeigt, der die sich anschließende
Umformung des Blechstreifens 7 zu einem Lagerschalenteil 5 andeutet.
Dieser Umformvorgang erfolgt im vorliegenden Fall durch ein Rollverfahren.
Das Rollwerkzeug ist aus Vereinfachungsgründen hierbei
nicht dargestellt.
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Im
Bildteil c) der 2 ist beispielhaft ein Lagerschalenteil 5 im
Schnitt gezeigt, wie es im fertig gestellten Zustand aussehen kann.
Dieses weist die übliche Kontur der Lagerschale eines Kugelgelenkes auf.
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In
der 3 ist eine erste Ausführungsvariante
eines Lagerschalenteiles 5 gezeigt. Die Besonderheit des
in 3 teilweise im Schnitt dargestellten Lagerschalenteils 5 besteht
darin, dass dieses einen Blechstreifen Band 7 aufweist,
das an seiner Innen- und seiner Außenmantelfläche
vollständig von einer Kunststoffschicht 8 umhüllt
ist.
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Im
Unterschied zur Darstellung in 3 verfügt
die Lagerschale nach der 4 über nur eine Kunststoffschicht 8.
Diese ist mit dem Blechstreifen 7 verbunden und an der
Innenseite des Lagerschalenteils 5 vorhanden.
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Bei
einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann
die Lage von Blechstreifen 7 und Kunststoffschicht umgekehrt
erfolgen.
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Der
Abstand 22 zeigt in der 4 den Abstand
der Enden der Zacken oder Zähne im Einbauzustand.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Kugelzapfen
- 3
- Gelenkkugel
- 4
- Lagerschalenteil
- 5
- Lagerschalenteil
- 6
- Lagerschale
- 7
- Metallisches
Band/Schicht, Blechstreifen (Lagerschalenrohling)
- 8
- Kunststoffschicht
- 9
- Spaltabstand,
Abstand, Trennfuge
- 10
- Anlagefläche
- 11
- Innenoberfläche
des Gehäuses
- 12
- Kugelzapfenhals
- 13
- Zapfenabschnitt
mit Anschlussgewinde
- 14
- Dichtungsbalg
- 15
- Spannring
- 16
- Spannring
- 17
- Schlitz
- 18
- Gehäusezapfen
- 19
- Ausnehmung,
Ausklinkung
- 20
- Bohrung
- 21
- Zacken,
Zähne
- 22
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0922868
A2 [0003]
- - DE 1098377 [0004]
- - DE 19545567 C2 [0005]