DE2456571B2

DE2456571B2 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE2456571B2
Application number: DE2456571A
Authority: DE
Inventors: Michio Kasugai Abe (Japan)
Original assignee: Tokai TRW and Co Ltd
Current assignee: Tokai TRW and Co Ltd
Priority date: 1973-11-29
Filing date: 1974-11-29
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS529781B2; US3945739A; CA1010252A; GB1462798A; DE2456571C3; JPS5088460A; DE2456571A1; FR2253163B1; FR2253163A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Lenkungs- und Aufhängesysteme von Fahrzeugen.

Bekannte Kugelgelenke lassen sich üblicherweise in zwei Arten unterscheiden, und zwar in solche des Typs der Metall-Metallberührung (DE-PS 6 61986 und GB-PS 1171978) sowie in solche des Typs der Metall-Kunststoffberührung (FR-PS 14 23 698, 91 835 und 91 180), wobei die bekannten Kugelgelenke des letztgenannten Typs diejenigen der gattungsgemäßen Art darstellen.

Bei den Kugelgelenken des Typs der Metall-Metallberührung ist der metallische Kugelkopf des Kugelbolzens mit dem überwiegenden Teil seiner Mantelfläche in einem Lager aus selbstschmierenden Metall gelagert, was zwar Vorteile hinsichtlich der Starrheit, Standfestigkeit und Temperaturbeständigkeit erbringt, jedoch einen relativ großen und auch komplizierten Herstellungsaufwand erfordert, da beispielsweise die miteinander in Berührung kommenden Metallflächen einer besonderen Behandlung unterworfen werden müssen.

Diese Nachteile sind zwar teilweise bei den bekannten Kugelgelenken der gattungsgemäßen Art, die vom Typ der Metall-Kunststoffberührung sind, vermieden, jedoch müssen dafür spezielle andere Nachteile in Kauf genommen werden. Diese sind beispielsweise darin zu sehen, daß das Schmiermittel, das zwischen dem Polymerlager und dem metallischen Kugelkopf enthalten ist, bei höheren Temperaturen, beispielsweise solchen über 12O⁰C₁ zum Auslaufen neigt oder sich in seiner Wirkung verschlechtert und daher das gesamte Kugelgelenk unbrauchbar machen kann. Um dies zu vermeiden, ist üblicherweise die Anwendung eines gesonderten Schmierfettnippels vorgesehen, um gerade beim Auftreten größerer Belastungen nach wie vor die zuverlässige Schmierung und Funktion des Polymerlagers in bezug auf den metallischen Kugelkopf is zu gewährleisten, jedoch stellt dies naturgemäß einen unerwünschten größeren konstruktiven Aufwand dar.

Es ist zwar schon ein Kugelgelenk bekannt (DE-AS 19 03 421), bei dem sich die mit dem überwiegenden Teil ihrer Mantelfläche in einem Kunststofflager gelagerte Lagerkugel unter normaler Belastung in diesem Kunststofflager abstützt, sich jedoch beim Auftreten übergroßer äußerer Belastungen nach Art einer Metall-Metallberührung zusätzlich auf dem metallischen Öffnungsrand des das Kunststofflager halternden Gehäuses abstützen kann. Da jedoch die eine der vorgesehenen beiden Gehäuseöffnungen im Vergleich zur anderen Gehäuseöffnung übergroß ausgestaltet :>ein bzw. eine gesonderte Ausnehmung aufweisen muß, um die metallische Lagerkugel in das Gehäuse sowie in das jo dort enthaltene Kunststofflager einführen bzw. einsetzen zu können, wird hierdurch beim Auftreten übergroßer äußerer Belastungen die Lagerkugel im Bereich der die Ausnehmung aufweisenden oberen Gehäuseöffnung nicht über den gesamten Bereich ihres it> Umfangs abgestützt, so daß in diesem Fall die Beibehaltung der erwünschten Funktionen des Gelenkkopfes immer noch nicht zufriedenstellend gewährleistet ist.

Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Kugelgelenk der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, daß die unerwünschten Änderungen des Innendrucks des Lagers während des Betriebs des Kugelgelenks minimiert sind, so daß dadurch einerseits eine zu hohe Hitzeentwicklung verhindert wird und andererseits auch bei hohen Belastungen die Fähigkeit zur Rotationsdrehung sowie zur Oszillationsdrehung beibehalten wird.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelkopf wird die Vergleichmäßigung des Innendruckes des Lagers dadurch erreicht, daß sich der Kugelkopf bei normaler Belastung - wie bekannt - im Polymerlager abstützt, jedoch bei Auftreten einer die Elastizitätsgrenze des Polymerlagers übersteigenden äußeren Belastung zusätzlich zu seiner Abstützung im Polymerlager mit zwei im Abstand voneinander verlaufenden ringförmigen Mantelflächen an zwei, jeweils oberhalb bzw. unterhalb des Polymerlagers vorgesehenen metallischen Ringflächen abgestützt ist. Dies bedeutet, daß beim normalen Betrieb des Kugelgelenks die Vorteile des Kugelgelenks vom Typ der Metall-Kunsistoffberührung erzielt werden, daß jedoch in Kombination hiermit bei Extrembelastung des Kugelgelenks zusätzlich eine Metall-Metall-Berührung zur Anwendung gelangt, die sich die Vorteile

des Kugelgelenks eines solchen Typs zunutze macht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt F i g. 1 das Kugelgelenk in vertikalem Schnitt,

F i g, 2 vergrößert den Hauptteil des Kugelgelenks in zusammengebautem Zustand und

F i g. 3 während des Zusammenbaus,

Fig.4 im Diagramm die Beziehung zwischen Torsionskraft und Dmckbelastung,

F i g. 5 im Diagramm die sich ergebenden Änderungen der Torsionskraft in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit eines Kugelbolzens, wenn dieser unbelastet ist,

F i g. 6 im Diagramm die Beziehung zwischen Zugbzw. Druckbelastung und Beanspruchung sowie

F i g. 7 im Oszillogramm die Torsionskraftschwankungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Biegebelastung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks und F i g. 8 eines herkömmlichen Kugelgelenks.

Das aus F i g. 1 ersichtliche Kugelgelenk, das bei Lenksystemverbindungen von Kraftfahrzeugen verwendet wird, weist auf ein Metallgehäuse 2 am Ende eines Schaftes 1, der mit einer Lenksystemverbindungsstange verbunden ist, ein federndes, zusammendrückbares ringförmiges Lager 3 aus Polymermaterial, das im Gehäuse 2 eingeschlossen ist, und einen Kugelbolzen 4 aus Metall mit einem metallischen Kugelkopf 401, der mit dem überwiegenden Teil seiner Mantelfläche drehbar im Polymeiiager 3 gehaltert ist. Der Kugelkopf 401 ist hohl ausgebildet und weist unterseitig ein offenes Ende auf. Das Gehäuse 2 ist an seinem oberen Ende mit einer ersten Öffnung 2a, die von einem Schaft 402 des Kugelbolzens 4 durchsetzt wird, sowie an seinem unteren Ende mit einer zweiten Öffnung versehen. Der Kugelbolzenschaft 402 besitzt ein mit Gewinde versehenes Ende 403 zur Verbindung mit einem nicht dargestellten Teil. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die zweite (untere) Öffnung des Gehäuses 2 durch zwei tellerförmige Platten 5,6 verschlossen, die in Anpassung an die Umrisse des Kugelkopfes 401 mittige, nach unten gerichtete Vertiefungen 501,601 aufweisen.

Die innere Abschlußplatte 5 stellt ein Federelement dar und ist genügend elastisch, damit der eine Ringfläche bildende Rand der Vertiefung 501 und der äußere Plattenrand 502 sich in Umfangskontakt mit einer unterhalb des Polymerlagers 3 verlaufenden ringförmigen Mantelfläche des Kugelkopfes 401 bzw. mit der Unterseite 2103 des Lagers 3 befinden, um hierauf die Vorspannung aufbringen zu können. Die äußere Abschlußplatte 6 trägt mit dem Rand ihrer mittigen Vertiefung 601 die Vertiefung 501 der inneren Abschlußplatte 5 und ist ihrerseits durch das Gehäuse 2 gehalten, wobei ein die zweite Gehäuseöffnung begrenzender Rand 204 des Gehäuses 2 nach innen gezogen ist und sich an diesem der äußere Rand 602 der Platte 6 abstützt. Das Polymerlager 3 unterliegt so der Vorbelastung durch die Innenwand des Gehäuses 2, die innere Abschlußplatte 5 und den Kugelkopf 401. Wie aus F i g. 1 weiterhin ersichtlich, bildet eine Staubabdekkung 7, die dem Schaft 402 des Kugelbolzens 4 dichtend anliegt und am Umfang des Gehäuses 2 befestigt ist, eine abgedichtete Schmierfettkammer 8.

Wie aus F i g. 2 in größerem Maßstab ersichtlich, steht der Kugelkopf 401 an einer oberen, oberhalb des Polymerlagers 3 vorgesehenen ringförmigen Mantelfläche mit dem Umfangsrand 201 der ersten Gehäuseöffnung 2a in Metall-Metallberührung und mit der" kueelieen Innenfläche 301 des Lagers 3 in Metall-Kunststoffberührung. Der Kugelkopf 401 kommt außerdem an seiner unteren ringförmigen Martelfläche mit dem Rand der mittigen Vertiefung 501 der inneren Abschlußplatte 5 in Metall-Metallberührung.

Das Lager 3 besteht aus einem Stück und besitzt die äußere Gestalt eines Kegelstumpfes, wobei die Innenfläche 301 des Lagers 3 kugelig ausgebildet ist Die Abmessungen des Lagers 3 sind derart, daß unter normalen Bedingungen der Radius des Raumes, der

ίο durch die kugelige Lagerinnenfläche 30ί gebildet ist, dem Radius Rq des Kugelkopfes 401 entspricht Das Lager 3 kann mit seiner konischen Außenfläche 302 durch die zweite (untere) Öffnung des Gehäuses 2 hindurch in dieses eingesetzt werden und legt sich dessen seitlicher Innenwand 203 an, wobei sich jedoch die ringförmige Oberseite 305 des Lagers 3 im Abstand von 0,1—0,5 mm zur nach unten zeigenden oberen Gehäuseschulter 202 befindet (s. F i g. 3), wenn zum Zusammenbau des Kugelgelenks eine Vorbelastung von

2(i etwa 200 kp aufgebracht wird. Ein oberes und ein unteres offenes Ende des Lagers 3 sind so bemessen, daß sich eine öldichte Einpassung zwischen Lager 3 und Kugelkopf 401 ergibt. Die Höhe des Lagers 3 ist derart gewählt, daß sich ein Spielraum von 0,5 —1,0 mm

2-j zwischen der Vertiefung 501 und dem Kugelkopf 401 ergibt, wobei dieser Spielraum etwas größer ist als der Spielraum zwischen der Lageroberseite 305 und der oberen Gehäuseschulter 202, wenn die innere Abschlußplatte 5 an die Unterseite 303 des Lagers 3 stößt. Das

j» Lager 3 ist an seiner kugeligen Innenfläche 301 mit zwei oder mehreren voneinander isolierten Aussparungen

304 zur Aufnahme von Schmiermittel versehen.

Die innere Abschlußplatte 5 ist so bemessen, daß der Krümmungsradius R\ ihrer Vertiefung 501 kleiner ist als

3-3 der Radius Ro des Kugelkopfes 401. Außerdem weist der äußere Plattenrand 502 einen solchen Außendurchmesser auf, daß er nicht bis an die seitliche Innenwand 203 des Gehäuses 2 reicht. Die äußere Abschlußplatte 6 ist so bemessen, daß der Radius R-i ihrer Vertiefung 601

■ίο grundsätzlich dem Radius R\ entspricht und daß der Außendurchmesser des äußeren Plattenrandes 602 etwas größer ist als derjenige des Plattenrandes 502, wobei eine feste Dichtung geschaffen ist, wenn der die untere Gehäuseöffnung begrenzende Rand 204 des

4^r> Gehäuses 2 nach innen gezogen ist.

Beim Zusammenbau des Kugelgelenks wird der Kugelkopf 401 des Kugelbolzens 4 durch das obere offene Ende des Lagers 3 in dieses hineingedrückt, nachdem Schmiermittel, wie hochtemperaturbeständiges Fett oder Wachs, auf die kugelige Innenfläche 301 des Lagers 3 aufgebracht worden ist. Diese Anordnung wird dann innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet Die beiden Abschlußplatten 5, 6 werden daraufhin so eingelegt, daß sie die Anordnung abdecken. Die äußere Abschlußplatte 5 wird dann mit einer Vorbelastung von etwa 200 kp gedrückt, bis die beiden Platten 5, 6 die Stellung gemäß Fig.3 einnehmen, um zwischen den Einzelteilen die geeigneten Spielräume zu schaffen.

Der Spielraum (erster Spielraum) zwischen der oberen Gehäuseschulter 202 und der Lageroberseite

305 beträgt, wie erwähnt, 0,1 —0,5 mm. Der Spielraum (zweiter Spielraum) zwischen dem Umfangsrand 201 der ersten Gehäuseöffnung 2a und dem Kugelkopf 401 beträgt ebenfalls 0,1 — 0,5 mm. Daraas ist ersichtlich, daß der /.-Veite Spielraum in Axialrichtung, d. h. in Richtung der Y-Achse gemäß F i g. 3, größer ist als der erste Spielraum. Der Spielraum zwischen der Vertiefung 501 der inneren Abschlußplatte 5 und dem Kugelkopf 401

beträgt 0,5—1,0 mm und ist größer als der erste Spielraum. Die beiden Abschlußplatten 5, 6 sind so angeordnet, daß ihre Vertiefungen 501,601 miteinander in Berührung stehen. Das Lager 3 ist zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kugelkopf 401 derart gehalten, daß seine kugelige Innenfläche 301 den überwiegenden Teil der Mantelfläche des Kugelkopfes 401 berührt und daß seine konische Außenfläche 302 an die seitliche Innenwand 203 des Gehäuses 2 stößt.

Nun wird die äußere Abschlußplatte 6 aus der Stellung gemäß Fig. 3 nach oben in Richtung der V-Achse gedrückt und das Lager 3 in das Gehäuse 2 gepreßt — hierbei wird es durch die seitliche Innenwand 203 des Gehäuses 2 komprimiert —, bis die Oberseite 305 des Lagers 3 an die Schulter 202 des Gehäuses 2 stößt. In diesem Augenblick liegt der Umfangsrand 201 der ersten Gehäuseöffnung 2a der entsprechenden ringförmigen Mantelfläche des Kugelkopfes 401 ohne Abstand gegenüber bzw. steht mit dieser mit minimalem Druck in Berührung. In diesem Stadium kann die Vertiefung 501 der inneren Abschlußplatte 5 aufgrund ihrer Federwirkung dem größten Teil des Druckes

widerstehen. Wenn die Einzelteile des Kugelgelenks in das vorerwähnte Stadium gebracht sind, wird kein weiterer Druck mehr aufgebracht. Der untere Rand 204 des Gehäuses 2 wird dann durch ein herkömmliches Forcierverfahren nach innen gebogen oder gezogen, so daß die äußere Abschlußplatte 6 innerhalb des Gehäuses 2 in ihrer Lage gehalten wird und die einzelnen Teile die jeweilige Stellung gemäß F i g. 2 einnehmen. In diesem zusammengebauten Zustand gewährleistet das Lager 3 das Auftreten gleichförmiger Innenbelastungen, die zum Mittelpunkt des Kugelkopfes 401 gerichtet sind, wie durch die Pfeile gemäß F i g. 2 angedeutet, wodurch der Kugelkopf 401 mit angemessener Federkraft befriedigend gehalten wird. So ist eine vollständige Schmierung zwischen der Mantelfläche des Kugelkopfes 401 und dem Lager 3 gewährleistet, und zwar mit dem Schmiermittel, das in die voneinandet isolierten einzelnen Aussparungen 304 der Innenfläche 301 des Lagers 3 gepreßt ist.

Bei einer speziellen Ausführungsform weist da; beschriebene Kugelgelenk beispielsweise die folgender Abmessungen auf:

Bauteil	Hauptabmessung	Behandlung	Beschaffenheits standard
Kugelkopf (hohler Kugel kopf)	Durchmesser: 24 mm 0	Walzbearbeitung bei Kugelteil nach Härten und Anlassen	JIS SCM-21
Lager (Typ mit isolier ten Aussparungen zur Schmier- mitteiaufnahme)	Innendurchmesser: 24 mm 0 Außendurchmesser (Minimum: 27 mm 0) (Maximum: 29 mm 0) USkp.		Polyäthylen hoher Dichte
	OUHC 15 mm oberes offenes Ende: 21 mm 0 unteres offenes Ende: 16 mm 0
Gehäuse	Außendurchmesser: etwa 40 mm 0 Innenwand (oben Min): 19 mm 0 (unten Max): 21 mm 0 (In Kegelstumpfform dem Lager komplementär)	Härten und Anlassen Bemerkung: Wandfläche der Öffnung ist sphärische Fläche von 24 0	(JIS) S 4OC
Innere Abschluß platte	Außendurchmesser: 28 mm 0 Durchmesser der kreisförmi gen Vertiefung: 20 mm 0 Innendurchmesser (Max): 16 mm 0 Dicke: 1,2 mm 0	Härten und Anlassen	(JIS) S 6OC
Äußere Ab schlußplatte	Außendurchmesser: 29 mm 0 Dicke: 2,4 mm 0 Vertiefung in gleicher Form wie bei innerer Abschlußplatte		(JIS) S 15C
Ausgeübter Druck	1000 kp

Die Arbeitseigenschaften des beschriebenen Kugelgelenks werden im folgenden erläutert.

Kugelgelenke für Lenkungs- oder Aufhängungssysteme von Kraftfahrzeugen, die jedoch nicht als Innengelenk für Zahnstangenlenksysteme verwendet werden, unterliegen normalerweise einer seitlichen Belastung in Richtung der Y-Achse gemäß F i g. 3.

Das beschriebene Kugelgelenk ist so konstruiert, daß das Polymerlager 3, dessen gesamte Oberfläche zusammengedrückt ist, den Kugelkopf 401 des Kugelbolzens 4 in seiner Lage hält, und zwar unter den gleichförmigen Belastungen, die von der gesamten kugeligen Mantelfläche aus zum Mittelpunkt des Kugelkopfes 401 gerichtet sind. Das Lager 3 hält daher dem größten Teil der seitlichen Belastung stand. Aus diesem Grunde gewährleistet das Kugelgelenk eine gute Stoßverteilurig und behält in zufriedenstellendem Ausmaß die Fähigkeit zur Rotationsdrehung und Oszillationsdrehung bei. Selbst wenn das Polymerlager 3 den Quer- und Längsbelastungen nicht widerstehen kann, die auf das Lager 3 ausgeübt werden, wenn der Wagen rauhen Straßenbedingungen unterliegt oder durch eine scharfe Kurve fährt, kann er nicht zerstört werden und besitzt eine hohe Widerstandskraft gegenüber übergroßen Stoßbelastungen, da die Berührungsspannungen an den beiden Metall-auf-Metall-Berührungsflächen nur um einen Wert vergrößert werden, der bei normaler Fahrt nichts oder wenig zählt Anders ausgedrückt: diese Berührungsspannungen an den Metall-auf-Metall-Berührungsflächen sind der verbleibende Teil der äußeren Kräfte, von denen ein Teil im Lager 3 absorbiert wird. Demgemäß ist das Festfressen der Lagerfläche, das bei einem herkömmlichen Kugelgelenk mit Metall-auf-Metall-Lageraufbau üblich ist, ausgeschaltet Während bei einem herkömmlichen Kugelgelenk die Schmierung die Tendenz aufweist, sich in ihrer Wirkung zu verschlechtern, wenn das Kugelgelenk bei hoher Temperatur verwendet wird, befähigt das beschriebene Kugelgelenk die Metall-auf-Metall-Berührungsflächen aufgrund der Metallberührungsbelastbarkeit, hinreichende Hitzebeständigkeit zu zeigen.

Ein Nachteil eines herkömmlichen Kugelgelenks mit einem einzigen oder zusammengesetzten Polymerlager besteht darin, daß das Polymermaterial erweicht, wenn es hoher Temperatur von 120° C und übermäßiger äußerer Stoßkraft unterliegt Wenn das Polymermaterial seine Elastizitätsgrenze überschreitet, fließt es aus den Gehäuseöffnungen oder anderen öffnungen aus, wodurch sich eine dauerhafte Deformierung der Lagerfläche ergibt mit dem Ergebnis, daß die Vorspannung verlorengeht Dies hat zur Folge, daß das Kugelgelenk locker oder flatterig wird und daher

atatiaohe Biegebelastung
+225 kp

aufgrund seiner mangelnden Fähigkeit zur Rotationsdrehung und Oszillationsdrehung nicht mehr gebrauchsfähig ist.

Im Gegensatz hierzu wird bei dem beschriebenen Kugelgelenk die gesamte Innenfläche des Polymerlagers durch das metallische Gehäuse und die Abschlußplatten abgedichtet und durch die innere Abschlußplatte aufgrund der ihr eigenen Federkraft die Ausdehnung des Polymerlagers absorbiert, wenn dieses einer hohen ίο Temperatur von 12O⁰C unterliegt und sich thermisch ausdehnt. Dadurch wird eine etwaige Änderung des Innendruckes des Kugelgelenks minimiert, jedoch gleichzeitig der Kugelbolzen in metallischer Berührung mit den beschriebenen Ringflächen des Gehäuses bzw. der inneren Abschlußplatte gehalten, falls das Lagermaterial seine Elastizitätsgrenze durch übermäßige äußere Kräfte überschreiten sollte. Aufgrund dieser Anordnung wird daher das Polymerlager nicht deformiert Selbst wenn das Polymerlager großer äußerer Kraft und hoher Temperatur unterworfen wird, ist es fähig, die auftretende innere Belastung innerhalb des Bereichs seiner Elastizitätsgrenze zu halten und gleichzeitig die Fähigkeit zur vorbestimmten Rotations- und Oszillationsdrehung, die Stoßverteilung und die Dauerschmierung, die vom Kugelgelenk unvermeidlich benötigt werden, beizubehalten.

Die folgenden Ergebnisse wurden aus verschiedenen Versuchen erhalten, die zum Zweck eines Vergleichs des beschriebenen Kugelgelenks mit aus den gleichen Materialien hergestellten herkömmlichen Kugelgelenken durchgeführt wurden.

Die Tabelle I enthaltenen Vergleichsdaten beziehen sich auf die Rotationsdrehung um die V-Achse (Torsionskraft) und die Standfestigkeit der untersuchten Kugelgelenke, wobei die jeweiligen Lager aus Polyäthylen hoher Dichte, Acetalharz und Nylon bestehen. Die Arten A, B und C sind die nachstehend erwähnten Testformen.
Art A:

Eine in einer einzigen Richtung gerichtete statische Biegebelastung von 500 kp wird auf die eine Seite des Gehäuses ausgeübt, während eine resultierende Bewegung, die sich aus einer Drehung um einen Winkel von ± 30° und einem Schwingen um einen Winkel von ±15° zusammensetzt mit einer Geschwindigkeit von 300 Wechseln/Minute bei einer Wechselzahl von 1 χ 10⁶ auf den Kugelbolzen ausgeübt wird.
Art B

so Die resultierende Bewegung gemäß Art A wird mit einer Geschwindigkeit von 72 Wechseln/Minute bei einer Wechselzahl von 1 χ 10 auf den Kugelbolzen ausgeübt:

dynamische ^
Biegebelastung^»^

±100 kp

1 min 1 min 1 min 1 min i_ 1 Wechsel _J

atatiBche
Bießebel astung
-225 Hp

Bemerkung:

Eine dynamische Biegebelastung ist bei einer Geschwindigkeit von 230 Wechseln/Minute gegeben. Nach Art B wird schlammiges Wasser mit einem Gehalt an 50% Salz einmal zehn Minuten lang auf die Berührungs- oder Wischflächen von Lager- und Kugelkopf aufgebracht.

Art C:

Diese Art wird, anstatt bei Raumtemperatur wie in Art B, bei hoher Temperatur durchgeführt und ist der Art B im wesentlichen ähnlich mit der Ausnahme, daß kein schlammiges, salzhaltiges Wasser wie bei Art B aufgebracht wird.

Wie aus Tabelle I ersichtlich, erzielt jedes erfindungsgemäße Kugelgelenk sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hoher Temperatur im Vergleich zu den herkömmlichen Kugelgelenken weniger Aufdrall (Verhältnis von Torsionskraft unter Last zu Torsionskraft ohne Last), verglichen mit Aufbelastung. Dies zeigt eine ausgezeichnete Fahr-Park-Eigenschaft. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk erweist sich auch noch in einem harten Test bei Temperaturen von 120-150° C als widerstandsfähig- und führt daher bei Verwendung in einem Fahrzeug zu befriedigenden Ergebnissen, und zwar im Gegensatz zu den herkömmlichen Kugelgelenken, von denen die meisten unter einem Dauertest bei hoher Temperatur nicht mehr brauchbar sind.

Tabelle II zeigt die Materialeigenschaften für das in vorerwähntem Test verwendete Lager, wobei Teflon zu Polyamid-Nylon und Polyacetal-Acetalharz hinzugesetzt ist.

Das Diagramm gemäß Fig.4 zeigt die Beziehung zwischen Druckbelastung und Torsionskraft, wobei die durchgezogenen Linien Ai, A₂, und A₃ das erfindungsgemäße Kugelgelenk darstellen, während die gestrichelten Linien Bi, B₂, B₃ und B₄ die herkömmlichen Kugelgelenke darstellen. Ai ist das Lager ganz aus Acetalharz, A₂ ist das Lager ganz aus Nylon und A₃ ist das Lager ganz aus Polyäthylen, während Bi das Lager ganz aus Acetalharz, Bz das Metall-Lager, B₃ das Zweistücklager aus Acetalharz und B₄ das Lager mit Nylonkante ist. Es ist aus F i g. 4 ersichtlich, wie hochwirksam das erfindungsgemäße Kugelgelenk ist

Bei dem Diagramm gemäß F i g. 5, das die Torsions-Tabelle I

kraftänderungen in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des unbelasteten Kugelbolzens zeigt, stellen die durchgezogenen Linien Ci, C₂ die erfindungsgemäßen Kugelgelenke dar, während die gestrichelten Linien D\, D₁ und D₃ die herkömmlichen Kugelgelenke darstellen. Ci ist das Lager ganz aus Hylon, C₂ das Lager ganz aus Acetalharz, während D\ das Metall-Lager, D₂ das Lager mit einem Keil aus Nylon und D₃ das Zweistücklager aus Acetalharz ist. Aus Fig.5 ergibt

ίο sich, daß die Torsionskraft gemäß der Steigerung der Drehzahl wirksam in Tätigkeit treten kann.

Im Diagramm gemäß F i g. 6 ist das erfindungsgemäße Kugelgelenk mit als Ganzem gebildeten Lager mit dem herkömmlichen Kugelgelenk mit Zweistücklager in seiner Wirkung bei lastmäßiger Beanspruchung verglichen. Kurve £ stellt das erfindungsgemäße Kugelgelenk und Kurve F das herkömmliche Kugelgelenk dar. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk erzielt eine geringere Beanspruchung bei Zug- und Druckbelastungen, wodurch seine Lebensdauer verlängert wird.

■ Die Oszillogramme gemäß Fig.7 und 8 zeigen die Torsionskraftschwankungen gegenüber den Biegebelastungsschwankungen im Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk aus Nylon und dem herkömmlichen Kugelgelenk mit einem Zweistücklager aus Acetalharz. In Fig.7 ist die Charakteristik des erfindungsgemäßen Kugelgelenks gezeigt, wobei die Kurve G die Biegebelastung darstellt. Die Kurve H zeigt die Änderung der Torsionskraft H mit der

jo Amplitude h, wenn die Biegebelastung in einer gegebenen Breite g variiert wird. Fig.8 zeigt die Charakteristik des herkömmlichen Kugelgelenks, wobei sich die Torsionskraftkurve H' mit der sehr viel größeren Amplitude h' ändert, wenn die Biegebelastung G'mit einer Breite g'variiert wird, die grundsätzlich der Breite £ entspricht.

Wie aus dem Vergleich von F i g. 7 mit F i g. 8 ersichtlich, erfährt das erfindungsgemäße Kugelgelenk eine sehr viel geringere Änderung der Torsionskraft in Abhängigkeit von der sich ändernden Biegebelastung.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform der federnde äußere Rand 502 der inneren Abschlußplatte 5 in ebener Form vorliegt, kann er auch gerippt ausgebildet sein. Falls erforderlich, kann außerdem die äußere Abschlußplatte 6 fortgelassen werden.

Lagermaterialien

Polyäthylen hoher Dichte

Typ

herkömmlich vor- Erfindung

gespanntes Kugelgelenk

Testgegenstand und -bedingungen
Drehkraft Aufdrall Drehkraft
(cmkp) (%) (cmkp)

Aufdrall

Rotationsdrehung

Testart

Raumtemperatur'	Belastung	10	0	12	0
	0	14	+40	25	+ 108
	140 kp	23	+ 130	35	+ 192
	550 kp
hohe Temperatur	keine Belastung	40		41	0
	7O⁰C	Versagen		45	+ 10
	100°C	kein Test		50	+ 22
	12O⁰C	kein Test		Versagen
	14O⁰C	kein Test		kein Test
	15O⁰C

Fortsetzung

Lagermaterialien Polyäthylen hoher Dichte

Typ

herkömmlich vor- Erfindung

gespanntes Kugelgelenk

Testgegenstand und -bedingungen

Drehkraft Aufdrall Drehkraft, Aufdrall

(cmkp) (%) (cmkp) (%)

Rotationsdrehung

Standfestigkeit

Testart

hohe Temperatur	Belastung 14O⁰C 550 kp	kein Test	-70	kein Test	-67
Raumtemperatur	Art A	OK		OK
	Drehkraftabfall	10-3	-80	12—4	-67
	Art B	OK		OK
	Drehkraftabfall (0/0)	10—2	Versagei. Versagen Versagen Versagen Versagen	12—4	-75
hohe Temperatur	Art C
	120° C 130° C 150° C 140°C 150° C	Versagen Versagen Versagen Versagen Versagen	12-3 Versagen kein Test kein Test kein Test

Tabelle I (Fortsetzung)

	Lagermaterialien	Erfindung	Drehkraft	Aufdrall
	Acetalharz		(cmkp)	(%)
	Typ	Testgegenstand und -bedingungen
	herkömmliches	Drehkraft Aufdrall	15	0
	Zweistücklager	(cmkp) (%)	22	+ 46
			30	+ 100
		12 0
		35 +192
Raumtemperatur Belastung	84 +600
0
140 kp		15	0
550 kp		12	-20
hohe Temperatur keine Belastung
70° C	10 0	15-25	+ 67
100°C	7 -30	OK
120° C		15-6	-60
140° C	Versagen	OK
150° C	OK	15-6	-60
Belastung	12-3 -75
14O⁰C \ 550 kp j	OK
Raumtemperatur Art A	12-2 -83
Drehkraftabfall
Art B
Drehkraftabfall

Rotationsdrehung

Testart

Standfestigkeit

14

Fortsetzung

Lagermaterialicn

Ace tal harz

Typ

herkömmliches Erfindung

Zweistücklager

Testgegenstand und -bedingungen Drehkraft Aufdrall Drehkraft (cmkp) (%) (cmkp)

Aufdra

Standfestigkeit Testart hohe Temperatur

120° C 130° C 150° C 140° C 150° C

Tabelle I (Fortsetzung)

Versagen	15-3	-80
kein Test	15-2	-87
kein Test	15-8	-87
kein Test	Versagen
kein Test
Lagermaterialien
Nylon

Typ

herkömmliches Erfindung

Zweistücklager

Testgegenstand und -bedingungen Drehkraft Aufdral! Drehkraft (cmkp) (%) (cmkp)

Aufdr: (o/o)

Rotationsdrehung

Testart Raumtemperatur

hohe Temperatur Belastung

kp kp

keine Belastung 70° C

100°C 120° C HO⁰C 150° C

Belastung 140°C \ kp J

12 20 78

20

60

100

Versagen

kein Test

+ +

+

13 17 25

26 30

13-35

Standfestigkeit

Raumtemperatur

Art A OK

Drehkraftabfall 12-2 (o/o)

Art B OK

Drehkraftabfall 12—2

-83

hohe Temperatur 120°C 130° C 150° C 140° C 150°C

Versagen kein Test kein Test kein Test kein Test

OK	-38
13-8
OK	-61
13-5	-77 -85 -85 -85
13-3 13-2 13-2 13-2

Tabelle II

Einheit ASTM

Polyamid-Nylon (IIXP)

Polyacetalharz ("AP)

Polyäthylen (hochdichtes Copolymer 5003)

Zugfestigkeit Dehnung

kp/cm²	D-638	600-320	500	224
%	D-638	5	10	500

Fortsetzung

	Einheit	ASTM	Polyamid-Nylon	Polyacetalharz	Polyäthylen
			(HXP)	(HAP)	(hochdichtes Copolymer 5003)
					10 500
Elastischer Zugmodul	kp/cm²	D-747	28 800	27 000	32
Kompressionsfestigkeit 1% Defor	kp/cm²	D-695	160	200
mation					170
10% Deformation	kp/cm²	D-695	600	800	98
Biegefestigkeit (5% Deformation)	kp/cm²	D-790	800	700	Shore-P 66
Härte		D-785	Rockwell Rl 13	Rockwell RlH	10,9
Kerbschlagfestigkeit (Izod)	cmkp/cm	D-256	2,7-13,5	4,8	0,948
Spezifisches Gewicht		D-792	1,22	1,50	—
Wasserabsorptionsvermogen	%	D-570	3,0	0,10	45
Temperatur der thermischen	⁰C (18,6 kp)	D-648	73	100
Deformation					121
Schmelzpunkt	⁰C		205	175

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kugelgelenk mit einem Kugelbolzen, der mit einem metallischen Kugelkopf durch die öffnung eines metallischen Gehäuses in dieses hineinragt und dort mit dem überwiegenden Teil seiner Mantelfläche in einem aus Polymermaterial bestehenden ringförmigen Lager drehbar gehaltert ist, wobei das Polymerlager im Gehäuse durch ein auf der der Gehäuseöffnung entgegengesetzten Seite vorgesehenes Federelement unter Vorspannung gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kugelkopf (401) bei einer die Elastizitätsgrenze des Polymerlagers (3) übersteigenden äußeren Belastung des Kugelgelenkes zusätzlich mit zwei im Abstand voneinander verlaufenden ringförmigen Mantelflächen an zwei, jeweils oberhalb bzw. unterhalb des Polymerlagers vorgesehenen metallischen Ringriächen abstützt, die durch den Umfangsrand (201) der Gehäuseöffnung (2a) bzw. durch den Rand einer mittigen Vertiefung (501) des Federelementes (5) gebildet sind, wobei das Federelement aus einer mit ihrem äußeren Rand (502) unterseitig gegen den Lagerwerkstoff drückenden tellerförmigen Platte besteht und gegebenenfalls allein eine der ersten Gehäuseöffnung (2a) gegenüberliegende zweite Gehäuseöffnung verschließt.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die das Federelement (5) bildende tellerförmige Platte mit ihrer mittigen Vertiefung (501) an einer äußeren Abschlußplatte (6) abstützt, welche die zweite Gehäuseöffnung verschließt und mit einer mittigen Vertiefung (601) die Vertiefung (501) der inneren Platte (5) trägt.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien (R_u R2) der Vertiefungen (501,601) der beiden Platten (5,6) etwa gleich groß sind.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien (R_u R₂) der Vertiefungen (501,601) der beiden Platten (5,6) kleiner sind als der Radius (R₀) des Kugelkopfes (401).