DE19610886A1 - Kugelgelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Gelenk mit einem Kugelzapfen und einem einteiligen Gehäuse, das den Kopf (2) des Kugelzapfens mit Abstand umgibt und einem in dem Raum zwischen dem Kopf (2) und dem Gehäuse (3) angeordneten, elastomerem Lagerteil, das den Kopf (2) und das Gehäuse (3) mit Grenzflächen berührt.

Ein solches Gelenk ist aus der DE-OS 37 23 548 bekannt. Das Lagerteil ist dabei durch unmittelbares Anvulkanisieren mit dem Gehäuse verbunden, was seine Herstellung aufwendig und teuer macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Gelenk derart weiter­ zuentwickeln, daß sich bei gleicher Qualität eine Verminderung der Herstellkosten ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem elastischen Gelenk der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Lagerteil in Gestalt einer Hülse erzeugt und unter elastischer Verformung in den Raum zwischen Kopf und Gehäuse ein­ gepreßt und so bemessen ist, daß es im eingepreßten Zustand unter radialer Druckvorspannung steht und auch ohne äußere Belastung des Gelenkes dauerhaft elastisch verformt ist und daß zumindest eine Grenzfläche mit dem Gehäuse oder dem Kopf festhaftend verklebt ist.

Die Hülse, der Kopf und das Gehäuse können unabhängig voneinander erzeugt sein, was es gestattet, spezifisches Know how voneinander unabhängiger Hersteller zu benutzen, um eine optimale Maßhaltigkeit sämtlicher Teile zu gewährleisten. Die fertiggestellten Teile werden anschließend zusammengeführt und miteinander vereint, ohne daß es dazu der Anwendung zeitraubender Arbeitsschritte bedarf. Dennoch erhält man elastische Gelenke, die sich selbst bei einer Erzeugung in größten Stückzahlen so gut wie nicht voneinander unterscheiden. Ihre Verwendung in der Großserienproduktion von Kraftfahr­ zeugen wird dadurch ganz erheblich vereinfacht.

Die Hülse kann eine Wandstärke haben, die in Richtung des einen Endes zunimmt. Bei einfacher Einfügbarkeit in den Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Kopf lassen sich hierdurch große Vorspannungen erzeugen, was die Nachgiebigkeit vermindert und beispielsweise bei einer Verwendung im Bereich des Lenkgestänges eines Kraftfahrzeuges die Spurtreue verbessert.

Die Hülse kann aus einem Abschnitt eines Schlauches bestehen, der durch einen Extrusionsprozeß erzeugt und während der Durchführung des Vulkanisations­ prozesses oder im Anschluß daran bleibend verfestigt ist. Es bildet sich hierdurch in dem Werkstoff eine völlig ausgeglichene Molekularstruktur, was sich vorteilhaft auswirkt sowohl im Hinblick auf die erhaltenen elastischen Eigenschaften des Gelenks als auch im Hinblick auf eine Verbes­ serung des Verschleißverhaltens.

Die Hülse kann normalerweise aus einem der üblichen preiswerten Elastomer­ werkstoffe auf Basis von NR-, SBR-, NBR- oder IR-Kautschuk bestehen, die sich auch hervorragend verkleben lassen, jedoch kann sie auch aus hoch­ wärmebeständigem oder chemikalienbeständigem Werkstoff auf der Basis von z. B. HNBR- oder FKM-Kautschuk bestehen.

In bezug auf die Herstellung von Gelenken, die während ihrer bestimmungs­ gemäßen Verwendung keinen erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, kann es ausreichend sein, eine Hülse aus einem thermoplastischen elastomeren Werk­ stoff (TPE oder TPU) zu verwenden. Die Verarbeitung derartiger Werkstoffe kann unter Anwendung der Regeln erfolgen, die von der Verarbeitung thermo­ plastischer Werkstoffe herbekannt sind. Dennoch weisen solche Werkstoffe bei Raumtemperatur gummiähnliche Eigenschaften auf. Sie sind daher ebenfalls für das vorliegende Anwendungsgebiet geeignet.

Um elastische Eigenschaften zu erhalten, ist es erforderlich, daß die in dem Gelenk eingeschlossenen Teile der Hülse beim Auftreffen größerer Kräfte in Freiräume des Kopfes und/oder des Gehäuses auszuweichen vermögen. Dazu kann es vorgesehen sein, daß im Bereich der stirnseitigen Enden der Hülse entsprechende Freiräume vorgesehen sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß entsprechend wirkende Freiräume auch oder nur im Inneren der Hülse vorgesehen sind. Diese können demgemäß aus einem geschäumten elastomeren Werkstoff erzeugt sein. Das Porenvolumen soll in solchen Fällen jedoch nicht mehr als 20 Vol.-% betragen.

Des weiteren ist es möglich, zumindest im Bereich von einer Grenzfläche sich parallel zur Längsrichtung der Hülse erstreckende Nuten vorzusehen, deren Nutgrund im eingebauten Zustand der Hülse einen Abstand von der gegenüberliegenden Wandung des Kopfes bzw. des Gehäuses aufweist.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Hülse mittels eines sekundären Klebers mit dem Kopf und/oder mit dem Gehäuse festhaftend verbunden ist. Dieser kann beispielsweise aus einem reaktiven, filmbildenden Klebstoff bestehen, der gegebenenfalls durch nachfolgende Wärmezufuhr aktivierbar und vernetzbar ist. Die sich ergebende Verbindung zu dem angrenzenden Maschinenteil, bei dem es sich wahlweise um den Kopf und/oder um das Gehäuse handeln kann, zeichnet sich durch eine besonders gute Dauerhaltbarkeit aus.

Wenn eine Grenzfläche der Hülse vorgesehen ist, die die gegenüberliegende Wandung des Kopfes und/oder des Gehäuses relativ verschiebbar berührt, besteht die Möglichkeit, zwischen der Grenzfläche und die diese berührende Gegenfläche ein Gleitmittel vorzusehen, beispielsweise ein solches, das aus einer Metallseife, aus einem oligomeren Ester bzw. aus einer Mischung verschiedener Ester oder auch aus einem mehrwertigen Alkoholabkömmling wie z. B. einem Polyglykol oder einem Glyzerinderivat besteht.

Die Relativbeweglichkeit des angrenzenden Maschinenteils wird hierdurch stark verbessert. Da entsprechende Gleitmittel im Laufe einer langen Benutzungsdauer verloren gehen können, hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn am Boden des Gehäuses bzw. am Ende des Kopfes ein Vorratsbehälter für weiteres Gleitmittel in Form einer Schmiertasche vorgesehen ist. Gleitmittelverluste können dadurch kontinuierlich ausgeglichen werden.

Der die Hülse bildende elastomere Werkstoff hat zweckmäßig eine Härte von 25 shore (A) bis 60 shore (D), insbesondere eine solche von 35 shore (A) bis 40 shore (D). In Abhängigkeit von dem vorgesehenen Anwendungsfall lassen sich dadurch die Federraten in weitem Rahmen modifizieren.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Hülse eine Wanddicke aufweist, die um 2% bis 50%, vorzugsweise um 4% bis 40% größer ist als der kleinste Abstand zwischen dem Kopf und dem Gehäuse. Die sich während der Montage ergebende, elastische Deformierung der Hülse ist hinreichend groß, um beispielsweise bei einer Verwendung im Bereich des Lenkgestänges eines Kraftfahrzeuges eine präzise Spurführung zu gewähr­ leisten. Dennoch werden scharfe Stöße und Geräusche über ein solches Gelenk so gut wie gar nicht mehr übertragen. Auch unter akustischen Gesichtspunkten ist die Verwendung eines solchen Gelenkes daher von großem Vorteil.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß das Gehäuse mit einem vorstehenden Rand versehen ist und daß der Rand nach dem Einfügen des Kopfes und der Hülse in seinem Durchmesser reduziert und zumindest in einem Teilbereich parallel zu der Oberfläche des Kopfes an die Hülse angelegt ist. Das Gehäuse besteht normalerweise aus metallischem Werkstoff. Eine entsprechende Durchmesserreduzierung ist daher von großer Dauer­ haftigkeit. Ein unvorhergesehenes Auseinanderfallen des Gelenkes ist dadurch so gut wie ausgeschlossen.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der Rand einen die Anlagezone überragenden Überstand aufweist, der einen Abstand von der Hülse aufweist. Der Abstand kann sehr gering bemessen sein. Er verhindert, daß sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung eine Beschädigung der Hülse durch den Rand ergeben kann.

Zweckmäßigerweise ist der Überstand so lang bemessen, daß sein vorderes Ende einen Anschlag für den Kugelzapfen bildet. Dieser kann beispielsweise dem Anschluß einer Spurstange dienen. Er verhindert, daß das Gelenk in unzulässig großem Maße eingeknickt und dabei beschädigt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht. Das elastische Gelenk ist in längsgeschnittener Darstellung wiedergegeben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Gelenkes.

Das in Fig. 1 gezeigte Gelenk besteht aus einem einteiligen, gegenüber dem Zapfenausgang geschlossenen, zapfenseitig nachträglich verformten Gehäuse 3, das den kugelig ausgebildeten Kopf 2 eines Kugelzapfens 4 allseitig in einem Abstand umschließt. Die Ausnehmung des Gehäuses ist nach seiner Herstellung von U-förmigem Profil, was das Einfügen des Kopfes 2 und der Hülse 1 vereinfacht. Im Anschluß an das Einfügen wird der den Kopf zapfenseitig überstehende Kragen des Gehäuses plastisch einwärts verformt, was mit einer Presse erfolgen kann, bis sich eine gegenseitige Anlageberührung oder eine elastische Vorspannung zwischen dem Kopf, der Hülse und dem Überstand in zumindest einem Teilbereich ergibt. Die Hülse kann aus einem durch Extrusion erzeugtem Schlauchabschnitt bestehen.

Im gebrauchsfertigen Zustand ist in den durch den Abstand gebildeten Spalt somit eine Hülse 1 eingefügt und elastisch verpreßt, die aus Gummi einer Härte von 50 shore (A) besteht.

Die Hülse hat herstellungsbedingt eine Wanddicke, die um 10% größer ist als der kleinste Abstand zwischen dem Kopf 2 und der den Kopf umschließen­ den Wandung des Gehäuses 3. Die Hülse ist im Bereich der das Gehäuse 3 berührenden Grenzfläche mit dieser verklebt. Die gegenüberliegende Grenz­ fläche ist mit einem Gleitmittel aus einer Metallseife beschichtet. Außerdem ist am Boden des Gehäuses 3 ein Vorratsbehälter 8 für Gleitmittel in Form einer Schmiertasche vorgesehen. Eventueller Verlust an Gleitmittel kann dadurch kontinuierlich ersetzt werden.

Das gezeigte Gelenk ist insbesondere für eine Verwendung im Bereich der Spurstangen eines Kraftfahrzeuges bestimmt. Es ist dazu an beiden Enden einerseits ein Kugelzapfen 4 und anderseits ein Gewindebolzen 9 vorgesehen, die es ihm erlauben, angrenzende Maschinenteile festzulegen, z. B. zu verbin­ dende Spurstangen eines Lenkgestänges.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführung unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen durch eine rechtwinklige Zuordnung des Kugelzapfens 4 zu dem Gewindebolzen 9. Entsprechende Ausführungen gelangen insbesondere im Bereich der Achslenker von Kraftfahrzeugen zur Anwendung. Desweiteren ist das aus einem Schmiedestück bestehende Gehäuse 3 innenseitig durch eine zylindrische Bohrung begrenzt, in die der Kopf des Kugelzapfens 2 eingefügt ist.

Dieser wird im mittleren Bereich seiner Längserstreckung durch eine Zylin­ derfläche begrenzt, die in axialer Richtung beiderseits in kugelig gewölbte Flächen übergeht. Die Hülse 1 besteht aus einem Schlauchabschnitt aus Gummi. Dieser ist unter elastischer Deformierung in den Zwischenraum zwischen dem Kopf 2 und dem Gehäuse 3 eingefügt. Er wird im Bereich seines stirnseitigen Überstandes durch Winkelringe 5 nach innen umgelegt und mit den gewölbten Flächen des Kopfes in Eingriff gebracht. Die Winkelringe 5 sind durch Sprengringe 6 in der Bohrung des Gehäuses gesichert.

Durch den zylindrischen Zwischenabschnitt der Hülse 1 zwischen ihren stirnseitigen Enden ergeben sich besonders gute Rückstellkräfte nach vorausgegangener Auslenkbewegung des Kugelzapfens 4. Diese ist für viele Anwendungen von Vorteil. Um die diesbezüglichen Eigenschaften besonders Dauerhaft zu machen, hat es sich bewährt, wenn die inneren und äußeren Grenzflächen der Hülse mit den jeweils gegenüberliegenden Flächen des Kopfes bzw. des Gehäuses verklebt sind. Anstelle eines Kugelzapfens können selbstverständlich auch zwei Kugelzapfen vorgesehen sein, die an beiden Enden aus dem Gehäuse herausstehen.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 gelangt ein Gehäuse zur Anwendung, das an dem dem Kugelzapfen zugewandten Ende mit einer hohlkugeligen Aufnahme für den Kopf 2 versehen ist. Der Kopf 2 ist ähnlich wie bei der Ausführung nach Fig. 2 gestaltet. Er ist an dem von dem Kugelzapfen 4 abgewandten Ende durch einen Deckel 10 überdeckt, der in einer Nut des Gehäuses 3 unverlierbar festgelegt ist und der eine axiale Zusammenstauchung des dort befindlichen Endes der Hülse 1 bewirkt. Diese hat an dem betreffenden Ende eine größere Wandstärke als an dem entgegengesetzten Ende. Der dickere Wandabschnitt legt sich dadurch besonders gut auch im Bereich des Deckels 10 oberflächen­ bündig in zumindest einem Teilbereich an die Oberfläche des Kopfes 2 an, wodurch dieser im Normalzustand an einer axial gerichteten Ausweich­ bewegung in Richtung des Deckels 10 gehindert ist. Bei größeren axial wirkenden Kräften in Richtung des Deckels ist jedoch in dieser Richtung eine Axialbeweglichkeit des Kopfes 2 möglich durch Verformung des Hülsenabschnittes in Richtung des Freiraumes. Zwischen dem Deckel 10 und dem Kopf 2 ist ein Freiraum vorhanden, der mit einem schmierend wirkenden Gemisch gefüllt werden kann und dann als Schmiertasche 8 dient.

Die Bohrung des Gehäuses 3 ist an dem dem Deckel zugewandten Ende im linken Teil der Darstellung zielgelegt in Richtung der Nut erweitert, in der während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Deckel 10 verankert ist. Dieser ist wasserundurchlässig ausgebildet und verankert. Durch den hier­ durch geschaffenen Freiraum 11 besteht eine vereinfachte Möglichkeit, eine großvolumige Schmiertasche vorzusehen. Sie kann bei Bedarf nachgefüllt werden durch eine in der Zeichnung nicht wiedergegebene Schmieröffnung, die den Deckel durchdringt. Durch die kegelige Durchmessererweiterung der Bohrung ist es besonders einfach, die Hülse 1 unter Vermeidung von Beschädigungen in den ringförmigen Freiraum zwischen dem Gehäuse 3 und dem Kopf 2 einzupressen.

Das Gehäuse 3 hat im linken Teil der Darstellung am unteren Ende einen Abstand 12 von der Oberfläche der Hülse 1. Hierdurch wird verhindert, daß sich eine Beschädigung der Hülse bei unzulässig großen Auslenkbewegungen des Kugelzapfens 4 ergibt.

Am gleichen Ende des Gehäuses 3 ist im rechten Teil der Darstellung gemäß Fig. 3 eine alternative Ausführung gezeigt, bei der die Hülse 1 das Gehäuse 3 nach unten überragt. Das überstehende Ende 7 bildet bei einer solchen Ausführung einen elastischen Anschlagpuffer, der bei Winkelaus­ schlägen des Kugelzapfen 4 zur Wirksamkeit gelangt.

Das elastische Gelenk läßt sich besonders kostengünstig und in großer Präzision fertigen. Es besitzt eine ausgezeichnete Dauerhaltbarkeit.

Claims (22)

1. Elastisches Gelenk mit einem Kugelzapfen und einem einteiligen Gehäuse, das den Kopf (2) des Kugelzapfens (4) mit Abstand umgibt und einem in dem Raum zwischen dem Kopf (2) und dem Gehäuse (3) angeordneten, elastomeren Lagerteil, das den Kopf (2) und das Gehäuse (3) mit Grenzflächen berührt, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerteil in Gestalt einer Hülse (1) erzeugt und unter elastischer Vorspannung in den Raum zwischen Kopf (2) und Gehäuse (3) eingepreßt und so bemessen ist, daß es im eingepreßten Zustand unter radialer Druck­ vorspannung steht und auch ohne äußere Belastung des Gelenks dauerhaft elastisch verformt ist und daß zumindest eine Grenzfläche mit dem Gehäuse (3) oder dem Kopf (2) verklebt ist.

2. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) separat erzeugt ist.

3. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) eine Wandstärke hat, die von einem axialen Ende zum anderen zunimmt.

4. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) aus einem Schlauchabschnitt besteht.

5. Elastisches Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauchabschnitt aus einem Abschnitt eines durch Extrudieren herges­ tellten Schlauches besteht.

6. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) aus einem vernetzten elastomeren Werkstoff auf der Basis eines Kautschuks der Typen NR, NBR, SBR, IR oder aus einer Mischung dieser Typen besteht.

7. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) aus einem thermoplastischen, elastomeren Werkstoff (TPE, TPU) besteht.

8. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) aus einem elastomeren PUR besteht.

9. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elastomere Werkstoff geschäumt ist.

10. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) mittels eines sekundären Klebers mit dem Kopf (2) und/ oder mit dem Gehäuse (3) fest haftend verbunden ist.

11. Elastisches Gelenk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber aus einem reaktiven, filmbildenden Klebstoff besteht.

12. Elastisches Gelenk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber aus einem reaktiven, durch Wärmezufuhr vernetzbaren Klebstoff besteht.

13. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht haftende Grenzfläche vorgesehen ist und daß zwischen dieser Grenzfläche und dem Kopf (2) bzw. dem Gehäuse (3) ein Gleitmittel vor­ gesehen ist.

14. Elastisches Gelenk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel aus einer Metallseife besteht.

15. Elastisches Gelenk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel aus einem oligomeren Ester oder aus einer Mischung ver­ schiedener Ester besteht.

16. Elastisches Gelenk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel aus einem mehrwertigen Alkohol der Klassen Polyglykol oder Glyzerin besteht.

17. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Gehäuses (3) bzw. des Deckels (10) ein Vorratsbehälter (8) für Gleitmittel in Form einer Schmiertasche angeordnet ist.

18. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) eine Härte von 25 shore (A) bis 60 shore (D), insbeson­ dere von 35 shore (A) bis 40 shore (D) aufweist.

19. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) eine Wanddicke aufweist, die um 2 bis 50%, insbesondere 5 bis 40% größer ist als der kleinste Abstand zwischen Kopf (2) und Gehäuse (3).

20. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) mit einem vorstehenden Rand versehen ist und daß der Rand nach dem Einfügen des Kopfes (2) und des Schlauchabschnittes (1) in seinem Durchmesser reduziert und zumindest in einem Teilbereich parallel zu der Oberfläche des Kopfes (2) an die Hülse (1) angelegt ist.

21. Elastisches Gelenk nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Schlauchabschnitt angelegte Rand einen die Anlagezone überragenden Überstand aufweist, der einen Abstand (12) von der Hülse (1) aufweist.

22. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende des Überstandes einen Anschlag für den Kugelzapfen (4) bildet.