DE4211897C2 - Kugelgelenk für Teile der Lenkung oder Radaufhängung von Kraftfahrzeugen - Google Patents
Kugelgelenk für Teile der Lenkung oder Radaufhängung von KraftfahrzeugenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für Teile der Lenkung
oder Radaufhängung von Kraftfahrzeugen, mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
Ein solches Kugelgelenk mit einer den Kugelkopf aufnehmenden,
radial geschlitzten Lagerschale, die mit einem zylindrischen
Umfangsflächenteil koaxial in einer zylindrischen Ausnehmung
des durch eine Blechhülse gebildeten Gelenkgehäuses angeordnet
ist, ist aus der GB 21 04 590 A bekannt.
Beiderseits des zylindrischen Umfangsflächenteils sind an die
Lagerschale konische Umfangsflächenteile angeformt, von denen
die eine an einem elastischen Dichtring und die andere an einem
elastischen Druckring anliegt.
In montiertem Zustand stützt sich der Dichtring an einem In
nenflansch der Blechhülse ab, während sich am Druckring ein in
die Blechhülse eingebördelter Verschlußdeckel abstützt. Dabei
ist zwischen dem zylindrischen Umfangsflächenteil der Lager
schale und dem Innenumfang der Blechhülse ein Radialabstand
vorhanden.
Beim Einbördeln des Verschlußdeckels ist somit die Lagerschale
in radialer Richtung nicht definiert vorspannbar, da das Mate
rial von Druckring und Dichtring fließt.
Ferner ist aus der DE-OS 22 35 874 ein Kugelgelenk ähnlichen
Aufbaus bekannt. Um die den Kugelkopf des Gelenkzapfens über
dessen äquatorialen Durchmesser hinaus umschließende, aus
Kunststoff bestehende Lagerschale auf den Kugelkopf aufbringen
zu können, ist diese, was jedoch nicht dargestellt ist, ausge
hend vom Schalenrand, mit in gleichen Winkelabständen vonein
ander vorgesehenen, sich entlang jeweils einer Mantellinie er
streckenden Schlitzen ausgestattet, deren Länge im wesentlichen
der axialen Länge des zylindrischen Schalenumfangsteils bzw.
der halben Axiallänge der Lagerschale entspricht. Die Lager
schale ist durch einen ein Sicherungsglied bildenden, ge
schlitzten Federring in der Gehäuseausnehmung festgelegt. Die
ser Federring sitzt in einer in die Innenwand der Gehäuseaus
nehmung eingestochenen Ringnut, stützt sich auf der durch die
Schlitze unterbrochenen Lagerschalenstirnfläche ab und übt da
bei auf die durch die Schalenschlitze gebildeten Schenkel der
Lagerschale in der Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenkes,
d. h. in Richtung den Boden der Gehäuseausnehmung eine axial
gerichtete Anpreßkraft aus.
Unter der Wirkung dieser Anpreßkraft unterliegen die Schalen
schenkel einer Druckbelastung, wodurch, aufgrund vorhandener
Toleranzen zwischen den Flächen von Kugelmantel, Lagerschenkeln
und dem zylindrischen Wandabschnitt der Gehäuseausnehmung, die
Schalenschenkel verformt werden und lediglich bereichsweise mit
der Mantelfläche des Kugelkopfes flächig in Berührung sind.
Dies hat zur Folge, daß sich, trotz der durch den Federring auf
die Lagerschale permanent ausgeübten Anpreßkraft, über die
Standzeit des Kugelgelenkes das Radialspiel zwischen Kugelkopf
und Lagerschale, bedingt durch deren Verschleiß, vergrößert und
dadurch hohe Reibmomentschwankungen unvermeidlich sind. Dadurch
verschlechtert sich beispielsweise die Schwingungsabkopplung
über Querlenker-Gummilager, in dem bei einem zum Beispiel als
Traggelenk eingesetzten Kugelgelenk die Kopplung zwischen einem
Radträger und einem Querlenker, in Folge des sich vermindernden
Reibmoments, entsprechend verringert wird.
Als weitere Folge der auf die Lagerschale ausgeübten Anpreß
kraft ist der Kugelkopf des Gelenkzapfens in der Lagerschale
derart eingespannt, daß zu dessen Verschwenken ein Losbrech
moment zu überwinden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk mit
den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 so zu ver
bessern, daß in der Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenks
über dessen Standzeit die radiale Führung des Kugelkopfes in
der Lagerschale weitgehend konstant bleibt und auf diesen ein
gewünschtes Reibmoment aufbringbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Lagerschale
gewährleistet, daß sie, bedingt durch ihre radiale Vorspannung,
ständig spielfrei am Kugelkopf des Gelenkzapfens anliegt.
Eine aufgrund sich einstellenden Schalenverschleißes bedingte
Verlagerung des Kugelkopfes innerhalb der Lagerschale kann da
bei, durch ihre radiale Vorspannung zwischen zylindrischem Wand
abschnitt in der Gehäuseausnehmung und äquatorialem Durchmesser
des Kugelkopfes, nur noch koaxial zum gehäuseseitigen, zylind
rischen Randabschnitt erfolgen. Dadurch bleibt jedoch das an
fänglich eingestellte Reibmoment zwischen äquatorialem Durch
messer des Kugelkopfes und der Lagerschale weitgehend konstant,
zumal bei einem Abrieb der Lagerschale in der Haupt
belastungsrichtung des Kugelgelenkes die den Kugelkopf abstüt
zende, innere
Ringkante der sich nach innen konisch verjüngenden Schalenöffnung verschleißt, was zu einer
Vergrößerung des Durchmessers der Schalenöffnung, gleichzeitig jedoch zu einer Verminderung
der Flächenpressung im Öffnungsbereich derselben führt.
Diese Ausführungsform bietet außerdem den Vorteil, daß sich für das Kugelgelenk über den
Lagerschalenverschleiß ein gewünschter Verlauf des Reibmoments bestimmen läßt, wozu
rechnerisch die Konizität der Lagerschalenöffnung festzulegen ist.
Die Erfindung bietet in der Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ferner den Vorteil, die Lagerschale,
radial definiert vorgespannt und zusammen mit dem Kugelkopf in dem Einsatzkörper komplett
vormontiert, in die Ausnehmung des Gelenkgehäuses einsetzen zu können, wobei als weiterer
Arbeitsgang lediglich noch der Gehäusekragen zur gehäusefesten Fixierung des die Lagerschale
aufnehmenden Einsatzkörpers umzubördeln ist.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 3 bietet den Vorteil, daß die den
Kugelkopf umschließenden, von dem Einsatzkörper jedoch nicht mit radialer Vorspannung
aufgenommenen Mantelabschnitte der Lagerschale mit dem Mantel des Kugelkopfes spaltfrei in
Berührung gehalten werden.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird der Ringkragen des Einsatzkörpers
zugleich für eine vorteilhafte Abdichtung des Gelenkgehäuses an der Austrittsstelle des
Gelenkzapfens genutzt.
Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 5 bestehen Teile des Einsatzkörpers
sowie der Ringkragen aus
Kunststoff, wodurch sich das Gewicht des Einsatzkörpers verrin
gern läßt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 bietet
den Vorteil, die Lagerschale lediglich mit ihrem zylindrischen
Umfangsflächenteil in den Einsatzkörper einbringen zu müssen,
wobei die elastisch nachgiebigen Rückhaltesegmente ihres aus
Kunststoff bestehenden Formkörpers zugleich den Kugelkopf über
einen weiteren Umfangsbereich umschließen.
Dabei ist eine zuverlässige Sicherung des Gelenkzapfens gegen
Heraus lösen aus dem Gelenkgehäuse in einfacher Weise gemäß Pa
tentanspruch 7 zu erreichen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar
gestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kugelgelenk
Fig. 2 einen in Fig. 1 durch einen strichpunktierten
Kreis angedeuteten Ausschnitt, in vergrößertem
Maßstab,
Fig. 3 u. 4 Teilschnitte durch das Kugelgelenk zur Veranschau
lichung von Konstruktionsvarianten seines die
Lagerschale aufnehmenden Einsatzkörpers.
Das in Fig. 1 gezeigte Kugelgelenk ist bspw. als Traggelenk für
einen Radträger eines Fahrzeugrades konzipiert. Es weist ein
innen napfartiges Gelenkgehäuse 10 mit einem an dieses ange
formten, einen Gewindeschaft 12 tragenden Anschlußkonus 14 auf,
mit dessen Hilfe dasselbe in einer komplementär konischen Auf
nahmeöffnung eines Radträgers durch Verspannen befestigbar ist.
In einer Gehäuseausnehmung 16 ist ein Kugelkopf 18 eines Ge
lenkzapfens 20 beweglich gehalten. Der Kugelkopf 18 ist zwecks
einer taumelfähigen Anordnung des Gelenkzapfens 20 in einer aus
gleitfähigem Kunststoff gespritzten Lagerschale 22 spiel frei
gelagert. Diese Lagerschale 22 ist von einem an ihren Stirnen
den ausmündenden Schlitz 24 durchsetzt. Sie weist in ihrem, dem
Boden 23 der Gehäuseausnehmung 16 zugekehrten Wandbereich vor
zugsweise eine sich nach innen konisch verjüngende Öffnung 25
verhältnismäßig großen Durchmessers auf, in welche der Kugel
kopf 18 eingreift. Des weiteren weist die Lagerschale 22 außen
als Wandbereiche einen mittleren, zylindrischen Umfangsab
schnitt 26 sowie sich beidseitig an diesen anschließende, sich
konisch verjüngende Umfangsabschnitte 28 und 30 auf.
Mit den Umfangsabschnitten 26 und 28 ist die Lagerschale 22 von
einem vorzugsweise aus Stahl bestehenden Einsatzkörper 32 aufge
nommen, der seinerseits mit Preßsitz in einem zylindrischen
Wandabschnitt 34 der Gehäuseausnehmung 16 gehalten ist.
Mit ihrem konischen Umfangsabschnitt 30 ist die Lagerschale 22
an einer komplementären, ringförmigen Abstützfläche 36 der Ge
häuseausnehmung 16 abgestützt. Sie weist, über den Schalenin
nenumfang verteilt, taschenartige Vertiefungen 38 zur Aufnahme
eines Schmiermittels auf, die derart angeordnet sind, daß sie
sich in der Konstruktionslage des Gelenkzapfens 20 (Fig. 1) zu
beiden Seiten des äquatorialen Kugelkopfdurchmessers 40 befin
den. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, verbleibt dabei zwischen
den oberen und unteren Vertiefungen 38 am Schaleninnenumfang
eine in Umfangsrichtung geschlossene, lediglich durch den
Schlitz 24 durchtrennte und sich quer zum äquatorialen Kugel
kopfdurchmesser 40 symmetrisch ausdehnende, ringförmige Lager
fläche 42.
Mit dem konischen Umfangsabschnitt 28 stützt sich die Lager
schale 22 an einem komplementär konischen Innenumfangsflächen
teil 44 des Einsatzkörpers 32 ab.
Der Einsatzkörper 32 weist einen Außenflansch 46 auf, der sich
nach seinem Einbau in das Gelenkgehäuse 10 innerhalb eines Ge
häusekragens 48 befindet, der zur Fixierung des Einsatzkörpers
32 durch teilweises Umbördeln an den Außenflansch 46 angelegt
wird.
An den Einsatzkörper 32 ist vorzugsweise ein über den umgebör
delten Gehäusekragen 48 vorstehender Ringkragen 50 angeformt,
der sich innen, im Anschluß an den sich nach außen konisch ver
jüngenden Innenumfangsflächenteil 44 des Einsatzkörpers 32 zur
Erzielung eines gewünschten Beugewinkels des Gelenkzapfens 20
nach außen konisch erweitert. Dieser Ringkragen 50 bietet die
Möglichkeit einer vorteilhaften Abdichtung des Gelenkgehäuses
10. Hierzu ist beispielsweise in den Außenumfang des Ringkra
gens 50 eine im Querschnitt vorzugsweise hohlkehlenförmige
Ringnut 51 eingeformt, in die eine auf den Gelenkzapfen 20 auf
gesteckte und sich an einem auf diesen aufgebrachten, aus Kunst
stoff bestehenden Abstützring 52 abstützende und mittels eines
Spannringes 54 abdichtend gehaltene Abdichtmanschette 56 ein
vulkanisiert ist. Durch das Einvulkanisieren kann auf die An
ordnung eines ansonsten notwendigen Spannringes verzichtet und
eine Verletzungsgefahr bei dessen Montage vermieden werden.
Der Gelenkzapfen 20 kann, bezogen auf die Fig. 1, auch aus dem
Gehäuseboden 23 herausgeführt sein. In diesem Falle ist die
Flanschbuchse 32 ringkragenfrei und geschlossen auszubilden.
Miteinander korrespondierende Durchmesserabmessungen von Ku
gelkopf 18, Lagerschale 22 und Einsatzkörper 32 sind derart
aufeinander abgestimmt, daß die Lagerschale 22 im Bereich des
äquatorialen Durchmessers 40 des Kugelkopfes 18 zwischen diesem
und dem Einsatzkörper 32 mit einer ein gewünschtes Reibmoment
bestimmenden, radialen Verspannung gehalten ist, die vorzugs
weise derart gewählt ist, daß der Gelenkzapfen 20 ohne Los
brechmoment verschwenkbar ist.
Die radial nachgiebige Ausbildung der Lagerschale 22 durch den
Schlitz 24, der sich z. B. entlang einer Mantellinie oder, wie
gezeigt, schräg zu dieser erstrecken kann, stellt dabei sicher,
daß bei montierter, vorgespannter Lagerschale 22 der Kugelkopf
18 auch von deren außen konisch verjüngten Umfangsabschnitten
28 und 30 spaltfrei bzw. formschlüssig umschlossen ist.
Dadurch, daß die Lagerschale 22 geschlitzt ist, kann dabei auf
spezielle Toleranzforderungen bei deren Herstellung verzichtet
werden.
In der Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenkes verlagert sich
der Gelenkzapfen 20 bei sich einstellendem Verschleiß der La
gerschale 22 in Richtung des Pfeiles A, wobei der Kugelkopf 18
entsprechend tiefer in die sich nach innen konisch verjüngende
Lagerschalenöffnung 25 eintaucht.
Dabei kann sich der Kugelkopf 18 mit seinem äquatorialen Durch
messer 40, aufgrund der radial vorgespannten Lagerschale 22
ausschließlich koaxial zum zylindrischen Umfangsabschnitt 26
des Einsatzkörpers 32 relativ zur Lagerfläche 42 der Lager
schale 22 verlagern, wobei die konische Abstützfläche 36 der
Gehäuseausnehmung 16 verhindert, daß zwischen dieser und dem
Umfangsflächenabschnitt 30 der Lagerschale 22 ein Spalt vor
handen sein kann.
Wie Fig. 2 zeigt, führt der verschleißbedingte Abrieb der La
gerschale 22 an der inneren Ringkante 58 ihrer Schalenöffnung
25, aufgrund ihrer Konizität, zu einer Vergrößerung des Kugel
kopf-Reibradius r1 auf r2, wobei sich zwangsläufig der äquato
riale Durchmesser 40 des Kugelkopfes 18 innerhalb der Lager
schale 22 um den Betrag a nach unten verlagert. Der äquatoriale
Reibradius R1 des Kugelkopfes 18 bleibt dabei jedoch konstant.
Wie aus der Darstellung der sich vergrößernden, unteren Kugel
kopf-Reibradien r3 bis r7 und den hierzu jeweils verschleiß
proportionalen Verlagerungen des äquatorialen Reibradius R1 in
Achsrichtung des Einsatzkörpers 32 ersichtlich ist, bleibt da
bei der tragende Anteil der den Kugelkopf 18 unterhalb seiner
Äquatorialebene abstützenden Innenumfangsfläche der Lagerschale
22 nahezu erhalten, obgleich sich dieser, in der Projektion auf
eine Ebene senkrecht zur Achse des Gelenkzapfens 20 betrachtet,
mit zunehmendem Lagerschalenverschleiß bzw. größer werdendem
Durchmesser der Lagerschalenöffnung 25 in der Höhe ständig ver
kleinert. Demgemäß bleibt trotz fortschreitendem Abrieb der
Lagerschale 22, aufgrund der sich zugleich vermindernden Flä
chenpressung, das Reibmoment im wesentlichen erhalten.
Durch Veränderung der Konizität der Schalenöffnung 25 läßt sich
jedoch ausgehend vom gleichen Öffnungsdurchmesser auch ein ge
wünschter verschleißabhängiger Verlauf des Reibmoments (Kennli
nienverlauf) zur Optimierung der Reibung auf rechnerischem Wege
bestimmen.
Durch entsprechende Wahl der radialen Vorspannung der Lager
schale 22 und des Durchmessers ihrer Öffnung 25 läßt sich somit
über die Lebensdauer des Kugelgelenkes für eine aufzunehmende,
maximale Abstützkraft die Größe eines Reibmoments definiert
bestimmen, ohne hierzu das Kugelgelenk derart vorspannen zu
müssen, daß zum Verschwenken des Gelenkzapfens 20 ein Losbrech
moment zu überwinden ist.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Konstruktionsvariante des Einsatz
körpers 32 ist dessen mit 60 bezeichneter Ringkragen durch ei
nen an diesen angeformten Formkörper aus Kunststoff gebildet,
an dem der konische Umfangsflächenabschnitt 28 der Lagerschale
22 abgestützt und die Abdichtmanschette 56 anvulkanisiert ist.
Die Konstruktionsvariante gemäß Fig. 4 zeigt gleichfalls einen
den Ringkragen bildenden, an den Einsatzkörper 32 angeformten
Formkörper 62 aus Kunststoff, der mit den Kugelkopf 18 form
schlüssig übergreifenden, elastisch nachgiebigen Rückhalteseg
menten 64 ausgestattet ist, die eine axial verkürzte Ausbildung
der Lagerschale 22 ermöglichen. Um hierbei die Sicherheit gegen
Ausziehen des Gelenkzapfens 20 aus der Gehäuseausnehmung 16 zu
erhöhen, ist der Einsatzkörper 32 innenumfangsseitig mit einem
vom Formkörper 62 ummantelten Innenbund 66 ausgestattet, dessen
Innendurchmesser kleiner ist als derjenige des Kugelkopfes 18.
Claims (8)
1. Kugelgelenk für Teile der Lenkung oder Radaufhängung von Kraftfahrzeugen,
mit einer einen Kugelkopf eines Gelenkzapfens aufnehmenden Lagerschale aus Kunststoff die
durch einen quer zu ihrer Äquatorialebene verlaufenden Schlitz geteilt und radial nachgiebig ist
und die ausgehend von einem im Äquatorialbereich zylindrischen äußeren Umfangswandbereich
beidseitig sich konisch verjüngende Umfangswandbereiche aufweist, in denen sie gegenüber dem
aufnehmenden, im Äquatorialabschnitt zylindrischen und stirnseitig übergreifenden Gehäuse
abgestützt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerschale (22) gehäuseseitig passend aufgenommen ist und daß die Aufnahme für den
gelenkzapfenfernen Umfangswandbereich (30) der Lagerschale (22) durch einen konischen
Wandabschnitt (36) des Gehäuses (10) gebildet ist, gegen den die Lagerschale (22) über einen in
eine zylindrische Aufnahme (34) des Gehäuses (10) einpreßbaren Einsatzkörper (32) verspannt
ist, der einen dem gelenkzapfennahen Umfangswandbereich (28) der Lagerschale (22)
entsprechenden konischen Wandabschnitt (44) aufweist und dessen Einsatztiefe im Gehäuse (10)
durch einen als Anschlag dienenden Außenflansch (46) begrenzt ist, der durch einen
eingebördelten Wandbereich (48) des Gehäuses (10) fixierbar ist.
2. Kugelgelenk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatzkörper (32) anschließend an seinen dem gelenkzapfennahen Umfangswandbereich
(28) der Lagerschale (22) entsprechenden konischen Wandabschnitt (44) einen dem zylindrischen
Wandbereich (26) der Lagerschale (22) entsprechenden zylindrischen Wandabschnitt aufweist.
3. Kugelgelenk nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerschale (22) mit dem sich an den zylindrischen Wandbereich (26) anschließenden
konischen Wandbereich (30) aus dem Einsatzkörper (32) herausragt.
4. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatzkörper (32) einen über das Gelenkgehäuse (10) überstehenden Ringkragen (50)
aufweist, an den eine den Gelenkzapfen (20) umschließende Abdichtmanschette (56)
anvulkanisiert ist und der an den Bereich des Einsatzkörpers (32) angeformt ist, der den sich nach
außen konisch verjüngenden Wandabschnitt (44) aufweist.
5. Kugelgelenk nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkragen (50) des Einsatzkörpers (32) durch einen an diesen angeformten, den sich
nach außen konisch verjüngenden Wandabschnitt (44) aufweisenden Formkörper (60) aus
Kunststoff gebildet ist.
6. Kugelgelenk nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der den Ringkragen (62) bildende Formkörper (60) am Innenumfang radial elastisch
nachgiebige, den Kugelkopf (18) formschlüssig übergreifende Rückhaltesegmente (64) aufweist.
7. Kugelgelenk nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatzkörper (32) einen vom Formkörper (60) ummantelten Innenbund (66) aufweist,
dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kugelkopfes (18).
8. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerschale (22) in der Konstruktionslage des Gelenkzapfens (20) zu beiden Seiten des
äquatorialen Kugelkopfdurchmessers (40), über den Schalenumfang verteilt, taschenartige
Vertiefungen (38) zur Aufnahme eines Schmiermittels aufweist.
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