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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kugelgelenks
mit einem Kugelbolzen, einem Gehäuse und einer Lagerschale aus thermoplastischem
Kunstharz.
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Es ist bereits eine große Anzahl von Kugelgelenken bekannt. Viele
dieser Kugelgelenke haben sich als Aufhängungsbauteile bei Kraftfahrzeugen sehr
bewährt. Die Kugelgelenke, die im Lenkgestänge verwendet werden, erfordern enge
Fertigungstoleranzen, um das Spiel im Lenksystem auf ein Minimum zu beschränken.
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Es ist bereits ein derartiges Kugelgelenk bekannt, bei dem die Lagerschale
mit Schnappsitz über einen Kugelkopf geschoben und dann in ein Gehäuse eingesetzt
wird. Das Gehäuse wird oben umgebördelt, und zwar derart, daß sich der Bördelrand
über die Lagerschale erstreckt, und dann wird von unten eine Halterungsplatte eingesetzt,
die ebenfalls durch eine Umbördelung gehalten wird.
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Bei einem derartigen Lager müssen Lagerschale und Gehäuse mit verhältnismäßig
engen Toleranzen hergestellt werden, damit sie gut ineinander sitzen und damit mittels
Umbördelungsdrucken ein verhältnismäßig guter Sitz erreicht wird und damit ferner
dadurch eine gute Konstanz des Drehmomentes des Kugelgelenks erzielt wird. Auf alle
Fälle müssen hier bei der Fertigung ganz gewisse Toleranzgrenzen von vornherein
eingehalten werden. Kritisch sind derartige Gelenke für den erforderlichen Bereich
der Drehmomente, für die der Sitz der Lagerschale im Gehäuse und die Anlage der
Lagerschale gegen den Kugelkopf verantwortlich sind. Eine Massenfertigung derartiger
Kugelgelenke ist wegen der einzuhaltenden Toleranzen außerordentlich schwierig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachsten Mitteln
ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, auch bei Toleranzunterschieden
einen festen, dichten Preßsitz der Lagerschale innerhalb des Gehäuses zu erreichen.
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Erfindungsgemäß- wird dies dadurch erzielt, daß die Lagerschale mit
einer kugelsegmentförmigen Innenfläche mit einem Durchmesser, der kleiner ist als
der Durchmesser der Kugel, und mit einer zylindrischen Außenfläche hergestellt wird,
deren Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser des Gehäuses, und das Gehäuse
weist an seinem offenen Ende eine senkrechte Ringlippe auf, und die Lagerschale
wird auf die Kugel aufgeschnappt, und die Lagerschale wird mit der darin befindlichen
Kugel auf die Ringlippe aufgesetzt und unter hohem Druck in das Gehäuse so eingepreßt,
daß das über die Ringlippe des Gehäuses überstehende Material der Kunstharzlagerschale
von der Lippe abgeschabt wird, und die Ringlippe wird nach vollständigem Einpressen
der Lagerschale nach innen in Richtung auf die Lagerschale umgewalzt, um diese in
ihrer Lage festzuhalten.
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Es ist also möglich, ein straff sitzendes Kugelgelenk herzustellen,
ohne daß die Einzelteile mit sehr engen Toleranzen gefertigt sein müssen. Hierdurch
werden die Herstellungskosten beträchtlich vermindert. Solange nämlich die Lagerschale
einen Außendurchmesser besitzt, der größer ist als der Innendurchmesser der Ringlippe
des Gehäuses, wird der Durchmesser der Außenseite der Lagerschale mit engem Preßsitz
gegen die Oberfläche der Bohrung des Gehäuses anliegen. Dies ist im wesentlichen
unabhängig vom effektiven Innendurchmesser des Gehäuses oder effektivem Außendurchmesser
der Lagerschale. Deshalb können die Toleranzen dieser Teile in weiten Bereichen
gehalten werden, solange nur ein übermaß der Lagerschale vorgesehen ist.
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Nachdem das Kugelgelenk, wie oben beschrieben, vollständig zusammengebaut
ist, ist der tatsächliche Druck, der von der ringförmigen Lagerschale bei der dichten
Anlage gegen den Kugelgelenkbolzen ausgeübt wird, sehr hoch, und zwar tatsächlich
viel zu hoch für die üblichen Fahrzeugbetriebsbedingungen. Deshalb wird vorteilhafterweise
das Lagerschalenmaterial im zusammengebauten Kugelgelenk auf eine Warmverformungstemperatur
erhitzt, die im wesentlichen unter der Schmelztemperatur des Kunststoffs liegt,
aber ausreichend hoch ist, um das Kunststoffmaterial zu entspannen und dadurch einen
wesentlichen Teil der Druckspannungen zu beseitigen, die der Lagerschale durch den
unter Druck ausgeführten Schabvorgang erteilt wurde. Die durch den Zusammenbau auf
die Lagerschale übertragenen Spannungen erzeugen Kräfte, die, wie Versuche zeigten,
unmittelbar nach dem Zusammenbau ein Kugeldrehmoment von annähernd 0,69 mkp erzeugen.
Durch Erwärmung des zusammengebauten Kugelgelenks über annähernd 1 Stunde bei einer
Temperatur, die ein Fließen des Kunststoffs unter hohem Druck ermöglicht, wurde
gefunden, daß das Drehmoment auf einen wesentlich niedrigeren Wert sinkt, der etwa
bei 0,035 oder 0;045 mkp liegt. Wird das zusammengebaute Kugelgelenk einer weiteren
Behandlung bei Raumtemperatur unterzogen, so bewirken die Rückstellkräfte im Kunststoffmaterial
ein leichtes Rückfließen gegen die Kugel, wodurch am Ende ein konstantes Drehmoment
von annähernd 0,115 mkp sich einstellt. Obgleich Einzelteile verwendet werden, die
mit sehr weiten Toleranzen hergestellt und demzufolge in der Konstruktion billig
sind, wird ein äußerst einheitliches und stabiles Endprodukt erzielt.
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Die Erfindung ist in der Beschreibung an Hand der Zeichnung, in der
eine Ausführungsform dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht
eines Kugelbolzens neben einer ringförmigen Kunststofflagerschale, die im Querschnitt
gezeigt ist, F i g. 2 eine vergrößerte Teilansicht der im Querschnitt gezeigten
ringförmigen Lagerschale, F i g. 3 eine Seitenansicht des Teilquerschnitts des Kugelbolzens
mit Lagerschale beim Zusammenbau mit dem Gehäuse und F i g. 4 eine Seitenansicht
des Teilquerschnitts des zusammengebauten Kugelgelenks.
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Ein Kugelgelenk weist ein Gehäuse 10 auf, in dem ein mit 11 bezeichneter
Kugelzapfen angeordnet ist. Das Gehäuse 10 hat ein Gewindeende 12, das zur Befestigung
an einer Stange dient, und in ähnlicher Weise ist der Kugelzapfen 11 mit einem Gewindeende
13 und einem konischen Schaft 14 für eine Keilverbindung mit einem zweiten Gelenk
ausgerüstet. Das Gehäuse 10 weist eine zylindrische Bohrung 15 auf, die in einem
Schmiermittelraum 16 endet. Der runde Kopf 17 des Kugelzapfens sitzt in einer kugelsegmentartig
ausgebildeten thermoplastischen Lagerschale 20, die in die Bohrung 15 eingesetzt
ist und in dieser mittels eines Dichtungsrings 21 und eines Bördelrandes 22 gehalten
wird. Das Schmiermittel für das Kugelgelenk wird durch
eine Gummidichtung
23 abgedichtet, die gleichzeitig dazu dient, Verschmutzungen vom Eindringen in das
Kugelgelenk zurückzuhalten.
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Es ist keine gesonderte Feder oder ein anderes Vorspannung erzeugendes
Element vorgesehen. Statt dessen wird während der Herstellung des Kugelgelenks ein
äußerst fester Paßsitz erzeugt. Es wurde gefunden, daß der auf diese Weise geschaffene
enge Paßsitz ein Kugelgelenk ergibt, das über einen langen Zeitraum besonders gute
Eigenschaften aufweist. Bei der Herstellung des Kugelgelenks wird der Kugelbolzen
11 aus einem harten Material gefertigt, z. B. aus Schmiedestahl, und sein
runder Kopf 17 wird vorzugsweise fein geschliffen, um eine harte und sehr glatte
Oberfläche zu erhalten, die in Berührung mit thermoplastischen Lagerschalenmaterialien,
z. B. Nylon, Polytetrafluoräthylen und Acetalharze, dem normalen Verschleiß standhalten
wird. Die ringförmige Lagerschale 20 besteht aus einem thermoplastischen
Material, z. B. einem Material aus der Gruppe der obengenannten Kunststoffe, und
weist eine innere kugelförmige Oberfläche auf, deren Durchmesser etwas kleiner ist
als der Außendurchmesser der Kugel. So war beispielsweise bei den den Ansprüchen
genügenden Kugelgelenken der Innendurchmesser der ringförmigen Lagerschale etwa
0,0254 bis etwa 0,2032 mm kleiner als der Zapfenkopfdurchmesser. Die Lagerschale
muß unter Druck über den Kugelkopf geschnappt werden. Da die Thermoplaste des obengenannten
Typs unter Druckbelastung leicht nachgeben, läßt sich dieser Zusammenbau durch Einschnappen
leicht ausführen. So würde beispielsweise bei Verwendung einer Lagerschale aus Delrin,
einem Acetalharz von E. I. du Pont de Nemours & Company, mit den obengenannten
Toleranzen die Lagerschale mit einer Axialkraft von etwa 159 kg auf die Kugel aufgeschnappt.
Nach diesem Zusammenbau bilden der Bolzen und die Lagerschale die in F i g. 3 dargestellte
Baugruppe.
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Aus F i g. 3 geht hervor, daß der Außendurchmesser 20a der
Lagerschale 20 etwas größer ist als der Durchmesser der Bohrung 15. Die ringförmige
Lippe 22 des Gehäuses 10 bildet eine verhältnismäßig scharfe, rechtwinklig abgeschnittene
Kante, die wie ein spanabhebendes Werkzeug beim Einbau wirkt. Beim Zusammenbau drückt
der angetriebene Preßstempel 25 gegen die obere Kante 20b der Lagerschale und preßt
diese in die Bohrung 15. Dabei wird der Außendurchmesser der Lagerschale, wie bei
26 gezeigt, abgeschabt, wodurch eine im wesentlichen enge Passung zwischen der Außenseite
der Lagerschale und der Oberfläche der zylindrischen Bohrung 15 entsteht. Beim Einpressen
der Lagerschale mit dem eingesetzten Kugelzapfen in die Bohrung 15 stößt die Bodenfläche
20 b der Lagerschale gegen die Schulter 24, wodurch der Kugelbolzen mit Lagerschale
im Gehäuse in die richtige Lage gebracht werden. Nachdem dies geschehen ist, wird
der Dichtungsring 21 oben auf die Lagerschale gelegt und die senkrechte Lippe
22 über den Dichtungsring gedrückt, wodurch ein fester Zusammenbau erzielt
wird. Durch die Öffnung 27 kann Fett in den Schmiermittelraum 16 eingeführt werden.
Danach kann die Öffnung 27 entweder dauernd verschlossen oder mit einem Schmiernippel
versehen werden.
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Aus F i g. 2 geht hervor, daß die Lagerschale 20
vorzugsweise
mit einem Führungsabschnitt 20 d mit verringertem Durchmesser versehen ist.
Dieser Führungsabschnitt weist einen Durchmesser auf, der nur ganz wenig kleiner
ist als der Innendurchmesser der Bohrung 15. Auch läßt sich, falls gewünscht, eine
leicht abgeschrägte Kante 20 e vorsehen, wodurch am Boden der Bohrung 15,
wenn der Ring 20 abgesetzt ist, ein kleiner Zwischenraum gebildet wird, der dazu
dient, möglicherweise vorhandene kleine Fremdkörperchen aufzunehmen und demzufolge
den richtigen Sitz der Lagerschale zu ermöglichen. Anstatt diesem kann aber auch
eine kleine ringförmige Aussparungsfläche für denselben Zweck in der Schulter
24 des Gehäuses vorgesehen sein. Es lassen sich verschiedene Kunststoffmaterialien
verwenden, wenn sie Thermoplaste sind und eine Härte besitzen, die geringer ist
als diejenige des harten Materials des Gehäuses 10, und sich unter Temperaturen
verformen, die niedriger sind als diejenigen, die eine Verformung oder ein Fließen
des Gehäusematerials verursachen. Ein Material, das hierfür verwendet wurde und
sehr zufriedenstellte, ist ein Acetalharzpolymer, insbesondere ein hochschmelzendes,
sehr kristallines Polyoxymethylen, und besitzt eine große Festigkeit und Steifheit,
eine gute Dauerfestigkeit, ein außerordentliches Federungsvermögen und eine sehr
gute Zähigkeit. Bei der Verwendung dieses thermoplastischen Materials in einem Lager
mit einem Innendurchmesser des kugelartigen Segmentes von etwa 28,52 mm und einem
Außendurchmesser von etwa 32,16 mm mit einem kleinen Abschababschnitt und einer
Länge von etwa 14,35 mm in Verbindung mit einem Kugeldurchmesser von etwa 28,58
mm und einer Gehäusebohrung von etwa 31,63 mm wurden sehr zufriedenstellende Ergebnisse
erzielt. Die mit diesen Abmessungen hergestellten Teile wurden zusammengebaut, wobei
die Lagerschale mit einer Kraft von annähernd 159 kp über die Kugel geschnappt wurde,
wonach die aus der Kugel und dem Lager bestehende Teilanordnung mit einer Kraft
von etwa 590 kp in das Gehäuse gepreßt wurde. Während des Zusammenbauvorgangs sind
etwa 0,36 mm Kunststofflagerschalenmaterial von der Lagerschalenaußenseite abgeschabt
worden. Zum Zusammenbau wurde auf die Kugelsegmentfläche der Lagerschale und auch
auf die Außenfläche der Kugel ein Fettschmiermittel aufgetragen. Nach dem Umlegen
der Gehäuselippe wurde ein Drehmoment von etwa 0,69 mkp gemessen. Die ganze Vorrichtung
wurde dann auf eine Temperatur von etwa 95° C 1 Stunde lang erwärmt. Nach dem Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde ein Drehmoment von 0,0345 bis 0,046 mkp gemessen. Nach
einer Pause von zwei Tagen jedoch wurde ein konstantes Drehmoment von annähernd
0,115 mkp registriert. Dieser Wert blieb im wesentlichen in der darauffolgenden
Zeit unverändert. Es wurde gefunden, daß Kugelgelenke, die unter Verwendung von
Teilen mit normalen Toleranzgrenzen in der oben beschriebenen Weise zusammengebaut
werden, Anordnungen mit einem konstanten Drehmoment ergeben, das etwa zwischen 0,15
und 3,45 mkp liegt, wobei die Toleranz vorzugsweise einen Kugeldurchmesser schaffen
soll, der zwischen 0,0254 und 0,2032 mm größer als der Lagerinnendurchmesser ist,
und außerdem einen nutzbaren äußeren Schabdurchmesser von vorzugsweise einigen Hundertstel
Millimetern oder mehr.
Man wird beobachten, daß eine Temperatur
von annähernd 93° C eine Warmverformung von Delrin beim Zusammenbau unter Druck
hervorrufen wird. Die Temperatur kann jedoch erhöht werden, solange wie die Schmelztemperatur
des Materials nicht erreicht wird. Die Warmverformungstemperatur bei verhältnismäßig
hohen Drucken, im Bereich von 18,54 kp/cm2, ist, wie üblicherweise ermittelt, für
Nylon, Polytetrafluoräthylen, andere obengenannte thermoplastische Lagerwerkstoffe
etwas geringer als 93° C. Entsprechend können diese Werkstoffe bei einer entsprechend
niedrigeren Temperatur, z. B. Nylon bei etwa 66° C, warmbehandelt werden.