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Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse und einem einen Zapfen und eine Gelenkkugel umfassenden Kugelzapfen, der mit seiner Gelenkkugel bewegbar in dem Gehäuse gelagert ist und sich durch eine in diesem vorgesehene Zapfenöffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstreckt.
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Für eine manuell schwenkbare Anhängerkupplung wird ein Drehlager eingesetzt, welches unter einem Winkel von ca. 45° zur Fahrzeuglängsachse am Fahrzeug angeordnet ist. Die schwenkbare Anhängerkupplung umfasst eine Kugelkopfstange, die um 45° gebogen ist, und das Drehlager, welches fest mit dem Fahrzeugaufbau, insbesondere mit einem Querträger, der vorzugsweise von der hinteren Stoßstange verdeckt ist, verbunden ist. Die Kugelkopfstange kann sich in dem Drehlager mit einem (Dreh-)Freiheitsgrad drehen. Bei einer 180°-Drehung im Drehlager schwenkt die Kugelkopfstange um ca. 90° um die Fahrzeuglängsachse und dreht sich dabei gleichzeitig um 180° um sich herum. In ausgefahrener Stellung (Betriebsstellung) zeigt die Kugelkopfstange in Fahrtrichtung nach hinten und weist mit dem Kugelkopf nach oben, so dass das Ankuppeln eines Anhängers möglich ist. In eingefahrener Stellung (Ruhestellung) liegt die Kugelkopfstange quer zur Fahrtrichtung und ist durch die Stoßstange verdeckt. Die Betätigung der Kugelkopfstange erfolgt manuell. Insbesondere fällt bzw. schwenkt die Kugelkopfstange nach dem Entriegeln durch ihr Eigengewicht nach unten, sodass sie leicht von einer Bedienperson erfassbar ist. Mit der Hand wird die Kugelkopfstange nun in Richtung Betriebsstellung bewegt, bis sie einrastet.
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Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass Zug- und Druckkräfte, die während der Fahrt mit einem angekuppelten Anhänger auftreten, ein Verkanten des Drehlagers verursachen können und hauptsächlich durch stirnseitige Abstützungen der Kugelkopfstange abgefangen werden müssen. Diese stirnseitigen Abstützungen umfassen aber keine großen Tragflächen, sodass relativ große Flächenpressungen auftreten können. Die ständig wechselnde Kraftrichtung beim Ziehen und Drücken des Anhängers verursacht mit jedem Lastwechsel ein Spiel, d. h. ein Hin- und Herbewegen der Kugelkopfstange im Drehlager.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein als Drehlager einsetzbares Lager zu schaffen, welches Zug- und Druckkräfte besser aufnehmen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kugelgelenk nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Das erfindungsgemäße Kugelgelenk, vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere für eine Anhängerkupplung, weist ein Gehäuse und einen eine Gelenkkugel und einen Zapfen umfassenden Kugelzapfen auf, der mit seiner Gelenkkugel bewegbar, vorzugsweise schwenkbar und/oder drehbar, in dem Gehäuse gelagert ist und sich durch eine in diesem vorgesehene Zapfenöffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstreckt, wobei die Zapfenöffnung kreisförmig ist und einen dem Außendurchmesser des Kugelzapfens im Bereich der Zapfenöffnung entsprechenden oder im Wesentlichen entsprechenden Durchmesser aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zapfenöffnung werden zwei der drei Freiheitsgrade des Kugelgelenks blockiert, sodass das Kugelgelenk ein Drehgelenk mit lediglich einem Freiheitsgrad bildet, der einer Drehbewegung des Kugelzapfens um eine Drehachse entspricht, die vorzugsweise mit der zentralen Längsachse des Kugelzapfens zusammenfällt. Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, als Drehlager ein bezüglich der Zapfenöffnung modifiziertes Kugelgelenk einzusetzen, da ein Kugelgelenk in allen Raumrichtungen große Zug- und Druckkräfte zulassen und dabei dennoch spielfrei drehen kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen entsprechenden” berücksichtigt dabei insbesondere, dass zwischen der die Zapfenöffnung begrenzenden Wandung und dem Kugelzapfen noch ein Gleit- und/oder Führungselement, wie z. B. eine Lagerhülse, vorgesehen sein kann.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung sitzt im Gehäuse ein mit einer Lageröffnung versehenes Drehlager, z. B. in Form eines Wälzlagers, in welchem der Kugelzapfen drehbar gelagert ist, wobei sich der Kugelzapfen durch die Lageröffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstreckt. In diesem Fall wird das Drehlager bevorzugt dem Gehäuse zugerechnet, sodass die Lageröffnung insbesondere die Zapfenöffnung bildet.
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Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der Gelenkkugel größer als der Außendurchmesser des Zapfens. Somit können größere Kräfte aufgenommen werden, da die Flächenpressung mit steigendem Durchmesser der Gelenkkugel sinkt. Der Außendurchmesser der Gelenkkugel ist insbesondere größer als der Durchmesser der Zapfenöffnung. Somit kann die Gelenkkugel nicht durch die Zapfenöffnung hindurchtreten.
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Bevorzugt ist der Kugelzapfen an der die Zapfenöffnung begrenzenden Wandung um seine Längsachse drehbar gelagert, vorzugsweise gleitend. Insbesondere sind Schwenkbewegungen des Kugelzapfens um schräg oder quer zur Längsachse verlaufende Schwenkachsen, durch die Wandung der Zapfenöffnung blockiert.
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Die Zapfenöffnung weist bevorzugt eine bestimmte Länge in Längsrichtung auf, so dass an dieser Kontaktstelle die Flächenpressung klein gehalten werden kann. Die Abstützfläche ergibt sich dabei aus dem Produkt aus dieser Länge und dem Durchmesser der Zapfenöffnung und/oder des Kugelzapfens im Bereich der Zapfenöffnung. Insbesondere ist die Zapfenöffnung zylindrisch ausgebildet. Bevorzugt ist der Kugelzapfen im Bereich der Zapfenöffnung zylindrisch ausgebildet.
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Die Gelenkkugel ist bevorzugt unter Zwischenschaltung einer Kugelschale in dem Gehäuse gelagert. Die Kugelschale, die ein oder mehrteilig ausbildbar ist, besteht vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM). Durch den Einsatz der insbesondere als dünne Kunststoffschale ausgebildeten Kugelschale sind nicht nur der Reibungskoeffizient reduzierbar und eine weitgehende Wartungsfreiheit sicherstellbar, sondern es kann ferner die Entstehung von Passungsrost und von Klappergeräuschen unterbunden werden. Dabei hat sich POM als Werkstoff für Kugelschalen mit guten tribologischen Eigenschaften bewährt. Die Kugelschale sitzt in dem Gehäuse und ist zwischen der Gelenkkugel und der dieser zugewandten Wandung des Gehäuses angeordnet.
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Bevorzugt ist der Kugelzapfen gleitend an der Zapfenöffnung gelagert. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sitzt in der Zapfenöffnung eine von dem Kugelzapfen durchgriffene Lagerhülse, unter Zwischenschaltung derer der Kugelzapfen drehbar an der Wandung gelagert ist. Hierdurch ist die Reibung zwischen dem Kugelzapfen und der Wandung der Zapfenöffnung reduzierbar. Die Lagerhülse ist bevorzugt Teil der Kugelschale und kann einstückig mit dieser ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Kugelschale bis in die Zapfenöffnung hinein als zylindrisches Drehlager erweitert. Hierdurch können Kosten und eine separate Befettung eingespart werden.
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Bevorzugt ist ein sich von dem Zapfen bis zu dem Gehäuse oder bis zur Kugelschale erstreckender Dichtungsbalg vorgesehen, mittels welchem die Zapfenöffnung abgedeckt ist. Der Dichtungsbalg des Kugelgelenks schützt somit die (Dreh-)Lagerstelle vor Feuchtigkeit und Schmutz.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Kugelzapfen ein sich in Richtung der Längsachse des Kugelzapfens erstreckendes Loch vorgesehen, in dem ein Sperrbolzen einliegt und in Richtung der Längsachse verschiebbar geführt ist, wobei vorzugsweise mittels des Sperrbolzens der Kugelzapfen in dem Gehäuse verriegelbar ist. Hierdurch kann der Kugelzapfen in einer Betriebsstellung arretiert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Kugelgelenk als Drehgelenk für eine Kugelkopfstange einer Anhängerkupplung eingesetzt wird.
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Bevorzugt ist in dem Kugelzapfen wenigstens ein, in das Loch einmündender, zum Gehäuse hin offener und in einer schräg oder quer zur Längsachse des Kugelzapfens ausgerichteten Führungsrichtung verlaufender Führungskanal vorgesehen, in dem ein in der Führungsrichtung verschiebbar geführter Führungsstift einliegt, der durch Verschieben des Sperrbolzens in eine in dem Gehäuse vorgesehene Arretierungsausnehmung einrückbar ist. Die Arretierungsausnehmung ist insbesondere in der dem Kugelzapfen zugewandten Innenwandung des Gehäuses vorgesehen und z. B. ein Loch. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Arretierungsausnehmung mulden- oder kalottenförmig. Bevorzugt ist in dem Sperrbolzen eine Freigabeausnehmung vorgesehen, in welche der Führungsstift zum Entsperren des Kugelzapfens einrückbar ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sitzt in der Arretierungsausnehmung ein Druckelement, gegen dessen Druckkraft der Führungsstift in die Arretierungsausnehmung einrückbar ist. Bevorzugt umfasst das Druckelement einen federbelasteten oder federnd gelagerten Druckstift, sodass die Druckkraft durch eine Feder aufgebracht wird. Das Druckelement dient insbesondere dazu, den Führungsstift aus der Arretierungsausnehmung herauszuschieben, wenn der Sperrbolzen eine Bewegung des Führungselements in Richtung des Lochs freigibt. Das Druckelement trägt somit dazu bei, das Kugelgelenk aus dem arretierten Zustand heraus sicher in einen drehbaren (entsperrten) Zustand überführen zu können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein am Gehäuse befestigter und im Bereich des Gehäusebodens angeordneter Sperrstein vorgesehen, der mit einem dem Gehäuseboden zugewandten Ende des Sperrbolzens, vorzugsweise drehfest, in Eingriff bringbar ist. Ferner kann der Sperrstein in das in der Gelenkkugel vorgesehene Loch eingreifen. Bevorzugt ist der Sperrbolzen mittels einer Feder (Zentralfeder) in Richtung des Gehäusebodens und/oder des Sperrsteins vorgespannt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dürfen sich der Sperrbolzen und der Kugelzapfen nicht gegeneinander verdrehen. Bevorzugt sind der Sperrbolzen und der Kugelzapfen daher drehfest miteinander gekoppelt, insbesondere bezüglich einer Verdrehung um die Längsachse des Kugelzapfens. Somit ist eine Verdrehung des Sperrbolzens relativ zu dem Kugelzapfen um dessen Längsachse verhinderbar.
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Im arretierten Zustand des Kugelgelenks greift der Sperrbolzen bevorzugt in den Sperrstein ein, sodass die Freigabeausnehmung gegenüber dem Führungsstift versetzt ist. Der Führungsstift kann somit nicht in die Freigabeausnehmung einrücken, und eine Entsperrung des Kugelgelenks ist nicht möglich. Erst wenn der Sperrbolzen außer Eingriff mit dem Sperrstein gebracht ist, was durch Verschieben des Sperrbolzens gegen die Kraft der Zentralfeder ermöglicht wird, kann die Freigabeausnehmung derart positioniert werden, dass der Führungsstift in diese einrücken und das Kugelgelenk entsperren bzw. freigeben kann.
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An dem Gehäuse ist bevorzugt eine Kugelkopfstange befestigt, die an ihrem freien Ende einen Kugelkopf aufweist, der mit einem Kupplungsschloss eines Anhängerfahrzeugs kuppelbar ist. Ferner ist der Kugelzapfen bevorzugt am Fahrzeugaufbau eines Kraftfahrzeugs befestigt, insbesondere an einem hinteren Querträger des Kraftfahrzeugs. Alternativ können aber auch das Gehäuse an dem Fahrzeugaufbau, insbesondere an dem Querträger des Fahrzeugs befestigt und der Kugelzapfen mit der Kugelkopfstange fest verbunden sein. Die Kugelkopfstange ist vorzugsweise gekrümmt ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Kugelgelenk bildet ein Drehlager, bei dem die Hauptkräfte insbesondere senkrecht zur Drehachse angreifen. Das sich als wartungsfrei und zuverlässig bewährte Kugelgelenk ist somit ohne große Änderungen auch als belastbares Drehlager verwendbar. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Kugelgelenk als Drehlager eines Anhängerkugelkopfes eingesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch ein Kugelgelenk gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Schnittansicht durch ein Kugelgelenk gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im verriegelten Zustand der Gelenkkugel,
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3 eine Draufsicht auf den Sperrstein gemäß 2,
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4 eine Schnittansicht durch das Kugelgelenk gemäß der zweiten Ausführungsform im entriegelten Zustand der Gelenkkugel und
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5 eine Draufsicht auf den Sperrstein gemäß 4.
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Aus 1 ist eine Schnittansicht eines Kugelgelenks 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei ein Kugelzapfen 2 einen Zapfen 3 und eine mit diesem starr verbundene Gelenkkugel 4 aufweist, mittels welcher der Kugelzapfen 2 bewegbar in einem Gehäuse 5 gelagert ist. Das Gehäuse 5 ist mittels eines Verschlussrings 6 verschlossen, der eine Zapfenöffnung 7 umringt, durch welche hindurch sich der Kugelzapfen 3 aus dem Gehäuse 5 heraus erstreckt. Der Verschlussring 6 wird hierbei dem Gehäuse 5 zugerechnet. Die Zapfenöffnung 7 ist mittels eines Dichtungsbalgs 8 vor Schmutz und Feuchtigkeit geschützt, wobei sich der Dichtungsbalg von dem Verschlussring 6 bis zum Zapfen 3 erstreckt. Der Dichtungsbalg 8 liegt dichtend, aber gleitfähig am Zapfen 3 des Kugelzapfens 2 an und ist an dem Verschlussring 6 festgelegt.
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Der Kugelzapfen 2 ist einerseits mit seiner Gelenkkugel 4 in dem Gehäuse 5 gelagert und andererseits mittels seines Zapfens 3 um die Längsachse 9 des Kugelzapfens 2 drehbar am Verschlussring 6 gelagert. Zwischen dem Verschlussring 6 und der Gelenkkugel 4 ist eine Kugelschale 10 aus Kunststoff angeordnet, die sich bis in die Zapfenöffnung 7 hinein erstreckt und dort eine dünnwandige Lagerhülse 11 bildet. Die Kugelschale und die Lagerhülse dienen insbesondere dazu, die Reibung des Kugelzapfens 2 im Gehäuse 5 zu reduzieren und möglicherweise vorhandenes Spiel auszugleichen.
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Die Zapfenöffnung 7 ist zylindrisch und wird durch eine Wandung 12 des Verschlussrings 6 begrenzt. Der Kugelzapfen 2 ist im Bereich der Zapfenöffnung 7 ebenfalls zylindrisch. Die Lagerung des Kugelzapfens 2 an der Wandung 12 ist eine Gleitlagerung und erfolgt hier unter Zwischenschaltung der Lagerhülse 11, die aber auch entfallen kann. Der Durchmesser der Zapfenöffnung 7 entspricht somit oder im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Kugelzapfens 2 im Bereich der Zapfenöffnung 7. Die Drehrichtung, in welche der Kugelzapfen 2 relativ zu dem Gehäuse 5 drehen kann, ist durch den Doppelpfeil 13 angedeutet.
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In dem Kugelzapfen 2 ist ein durchgehendes und sich in Richtung der Längsachse 9 erstreckendes Loch 14 vorgesehen, in welchem ein Sperrbolzen 15 in Richtung der Längsachse 9 verschiebbar geführt ist. Quer zu dem Loch 14 erstreckt sich ein Führungskanal 16 in einer Führungsrichtung 17 durch eine Wandung der Gelenkkugel 4 hindurch. Der Führungskanal 16 mündet in das Loch 14 ein und ist zu einer in dem Gehäuse 5 vorgesehenen Arretierungsausnehmung 18 hin offen, in welche ein Führungsstift 19 eingreift, der in dem Führungskanal 16 einliegt und in diesem in Führungsrichtung 17 verschiebbar geführt ist. Der Führungsstift 19 steht mit dem Sperrbolzen 15 in Kontakt und wird mittels diesem in die Arretierungsausnehmung 18 gedrückt, so dass der Kugelzapfen 2 in dem Gehäuse 5 arretiert ist. Der Sperrbolzen 15 wird dazu mittels einer zentral im Kugelzapfen 2 angeordneten Feder (Zentralfeder) 20 mit einer schräg zur Längsachse 9 ausgerichteten Arbeitsfläche 21 gegen das den Sperrbolzen 15 zugewandte Ende des Führungsstifts 19 in Richtung Gehäuseboden 22 gedrückt.
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Aus 2 ist eine Schnittansicht durch ein Kugelgelenk 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform ähnliche oder identische Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind.
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Zusätzlich zur ersten Ausführungsform ist im Bereich des Gehäusebodens 22 ein Sperrstein 23 im Gehäuse 5 befestigt, der in das Loch 14 eingreift. Der Sperrstein 23 weist eine Ausnehmung 24 (siehe 3) auf, in welche der Sperrbolzens 15 mit seinem dem Gehäuseboden 22 zugewandten Endbereich 25 eingreift. Der Führungsstift 19 liegt an der Arbeitsfläche 21 an und wird mittels des durch die Feder 20 druckbeaufschlagten Sperrbolzens 15 in die Arretierungsausnehmung 18 gedrückt. Gemäß 2 ist der Kugelzapfen 2 in dem Gehäuse 5 arretiert.
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Aus 3 ist eine Draufsicht auf den Sperrstein 23 ersichtlich, wobei der dem Gehäuseboden 22 zugewandte Endbereich 25 des Sperrbolzens 15 geschnitten dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass sowohl die Ausnehmung 24 als auch der Endbereich 25 im Querschnitt unrund, hier rechteckig, ausgebildet sind. Ferner sind die beiden Querschnitte derart passend zueinander ausgebildet, dass der in die Ausnehmung 24 eingreifende Sperrbolzen 15 drehfest in dem Sperrstein 23 sitzt und nicht um die Längsachse 9 drehen kann.
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Aus 4 ist eine Schnittansicht des Kugelgelenks gemäß der zweiten Ausführungsform in einem entsperrten Zustand des Kugelzapfens 2 ersichtlich, wobei der Führungsstift 19 mittels eines Druckstifts 26 aus der Arretierungsausnehmung 18 herausgedrückt ist und in eine Ausnehmung 27 des Sperrbolzens 15 eingreift. Da der Sperrstift 19 nicht mehr in die Arretierungsausnehmung 18 eingreift, ist der Kugelzapfen 2 relativ zum Gehäuse 5 bewegbar, so dass der Kugelzapfen 2 um die Längsachse 9 relativ zum Gehäuse 5 gedreht werden kann.
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Der Endbereich 25 des Sperrbolzens 15 greift in diesem Zustand nicht in die Ausnehmung 24 des Sperrelements 23 ein und ist gegenüber dieser verdreht, was auch aus 5 ersichtlich ist, die eine Draufsicht auf das Sperrelement 23 mit dem geschnitten dargestelltem Endbereich 25 gemäß 4 zeigt. Durch die Verdrehung des Endbereichs 25 relativ zur Ausnehmung 24 kann der Sperrbolzen 15 nicht in die Ausnehmung 24 eintauchen und somit den Kugelzapfen 2 auch nicht im Gehäuse 5 arretieren. Eine Überführung des Kugelgelenks in den arretierten Zustand ist nur in denjenigen Positionen des Sperrbolzens 15 möglich, in denen der Querschnitt des Endbereichs 25 mit der Ausnehmung 24 fluchtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgelenk
- 2
- Kugelzapfen
- 3
- Zapfen
- 4
- Gelenkkugel
- 5
- Gehäuse
- 6
- Verschlussring
- 7
- Zapfenöffnung
- 8
- Dichtungsbalg
- 9
- Längsachse des Kugelzapfens
- 10
- Kugelaschale
- 11
- Lagerhülse
- 12
- Wandung
- 13
- Drehrichtung des Kugelzapfens
- 14
- Loch in Kugelzapfen
- 15
- Sperrbolzen
- 16
- Führungskanal
- 17
- Führungsrichtung
- 18
- Arretierungsausnehmung
- 19
- Führungsstift
- 20
- Zentralfeder
- 21
- Arbeitsfläche
- 22
- Gehäuseboden
- 23
- Sperrstein
- 24
- Ausnehmung im Sperrstein
- 25
- Endbereich des Sperrbolzens
- 26
- Druckstift
- 27
- Ausnehmung des Sperrbolzens
