DE4419954A1 - Zapfengelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zapfengelenk nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Derartige Zapfengelenke (siehe z. B. DE-OS 30 00 764), auch als Kugelgelenke bezeichnet, werden häufig bei Lenkungen für Kraftfahrzeuge, z. B. für einen Einsatz in Spurstangen, verwendet. Um eine Lenkung möglichst wenig negativ zu beeinflussen, sollen Gelenke dieser Art möglichst reibungsarm und möglichst spielfrei aus­ gebildet sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde ein spiel- und verspannungsfreies Gelenk mit möglichst geringem oder mit einstellbarem Reibungswert zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale ge­ löst.

Das Innere des Gelenkgehäuses ist im allgemeinen mit einer Fettschmierung versehen. Durch die erfindungsge­ mäße Ausbildung der unteren Lagerschale mit den kreis­ ringförmigen Schmierrillen entsteht neben einer guten Schmierung ein hydrostatischer Druck, der einen Groß­ teil der Kraftabstützung des Zapfengelenkes übernimmt.

Mit einer steigenden Last auf das Zapfengelenk kommen durch eine entsprechende Verformung der unteren Lager­ schale nacheinander die einzelnen Ringe, die die li­ nienförmige Auflage für den Gelenkkopf zwischen den Schmierrillen bilden, von innen nach außen zunehmend zum Einsatz. Die Hauptreibung entsteht jedoch auf kleinen Durchmessern der Teilsegmente der unteren La­ gerschale. Insgesamt gesehen bleibt jedoch die Gesamt­ reibung sehr gering.

Als wesentliche Vorteile ergeben sich ein besserer Lenkungsrücklauf, eine bessere Zentrierung um die Mit­ tellage und keine Beeinflussung des Eigenlenkverhal­ tens. Auf Grund einer geringeren Achsreibung stellt sich auch ein besserer Abrollkomfort ein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Zapfengelenk,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch das untere Teil des Zapfengelenkes in vergrößertem Maßstab nach der Linie II-II der Fig. 3,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die untere Lagerschale nach der Fig. 2,

Fig. 4 ein Querschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 5 durch die obere Lagerschale,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 einen Teillängsschnitt durch das untere Teil des Zapfengelenkes in einer abgewandelten Ausführungsform, ähnlich dem Teillängsschnitt gemäß Fig. 2,

Fig. 8 eine Draufsicht auf die untere Lagerschale nach der Fig. 7.

Das Zapfengelenk weist in üblicher Weise einen Gelenk­ zapfen 1 mit einem daran sich anschließenden kugelför­ migen Gelenkkopf 2 auf, der in einer Ausnehmung eines napfartigen Gelenkgehäuses 3 verdrehbar und auslenkbar gelagert ist. Zwischen dem Gelenkkopf 2 und dem Ge­ lenkgehäuse 3 sind eine obere Lagerschale 4 und eine untere Lagerschale 5 eingesetzt. Beide Lagerschalen 4 und 5 umfassen den Gelenkkopf 2 auf ihren Innenseiten teilweise, d. h. sie sind der Kugelform angepaßt. Die Aufnahme der unteren Lagerschale 5 wird durch eine Ge­ häusekontur gebildet, deren Krümmungsmittelpunkt ra­ dial zum Schalenboden geringfügig jenseits des Mittel­ punktes der Lagerschale 5 liegt, so daß die Lagerscha­ le 5 primär im Zentrumsbereich gegenüber dem aufneh­ menden Gelenkgehäuse 3 abgestützt ist.

Die untere Lagerschale 5 besitzt auf ihrer dem Gelenk­ kopf 2 zugewandten Seite eine Rillenstruktur durch ei­ ne Vielzahl von Schmierrillen 6, die sich - ausgehend von dem zentralen Lagerschalengrund aus - kreisring­ förmig über einen wesentlichen Teil der unteren Lager­ schale 5 erstrecken. Durch diese Ausgestaltung entste­ hen zwischen den einzelnen Schmierrillen 6 kreisring­ förmige Auflage- bzw. Berührlinien mit dem Gelenkkopf 2.

Zusätzlich sind im äußeren Bereich der unteren Lager­ schale 5 noch mehrere über den Umfang verteilt ange­ ordnete Fettaschen 7 zur zusätzlichen Schmierung vor­ gesehen. Die Fettaschen 7 erstrecken sich dabei vom Außenumfang der unteren Lagerschale 5 aus radial nach innen bis in den Bereich der Schmierrille 6 mit dem größten Durchmesser.

Die untere Lagerschale 5 liegt mit einem Absatzring 8 in einer Ringnut 9 des Gelenkgehäuses 3 an. Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist die untere La­ gerschale 5 im Bereich der Ringnut 9 mit über den Au­ ßenumfang vorstehenden rippen- oder wellenförmigen Zähnen bzw. Vorsprüngen 10 versehen. Die rippenförmi­ gen Vorsprünge 10 können satzweise bzw. abschnittweise segmentförmig über den Umfang der Lagerschale 5 ver­ teilt angeordnet sein. Wie ersichtlich sind gemäß Fig. 3 vier Abschnitte mit jeweils mehreren Vorsprüngen 10 vorgesehen.

Die Bereiche zwischen den Vorsprüngen und zwischen den einzelnen Abschnitten dienen als Fettreservoir. Die Vorsprünge 10 bzw. die untere Lagerschale 5 mit ihren Vorsprüngen 10 besitzt ein Übermaß gegenüber dem Durchmesser der Ringnut 9. Dies bedeutet die untere Lagerschale 5 wird bei der Montage entsprechend in das Gelenkgehäuse 3 unter einer entsprechenden Deformie­ rung der Vorsprünge 10 eingepreßt. Auf diese Weise er­ gibt sich sowohl eine Lagefixierung der unteren Lager­ schale 5 als auch eine Verdrehsicherung.

Die Ausgestaltung der oberen Lagerschale 4 ist aus den Fig. 4 bis 6 deutlicher ersichtlich. Auf ihrer dem Ge­ lenkkopf 2 zugewandten Innenseite ist sie mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten, wenigstens an­ nähernd in axialer Richtung bzw. in Richtung von dem Gelenkzapfen zur unteren Lagerschale 5 hin verlaufen­ den Fettaschen in Form von Schmiernuten 11 versehen. Die Schmiernuten 11 sind dabei durchgehend ausgebil­ det, d. h. sie erstrecken sich von dem oberen bis zum unteren Rand der oberen Lagerschale 4. Außerdem fluch­ ten sie zu den Fettaschen 7 in der unteren Lagerschale 5.

Die obere Lagerschale 4 weist zusätzlich noch einen Ringflansch 12 in ihrem axial mittleren Bereich auf. Der Ringflansch 12 kann als Vollring ausgebildet sein. Auf der Unterseite, d. h. auf der zu der unteren Lager­ schale 5 zugewendeten Seite, ragen aus dem Ringflansch 12 Rippen, Wellen oder Zähne 13. Die Zähne 13 können entweder über den gesamten Umfang verteilt oder - ähn­ lich wie die Vorsprünge 10 der unteren Lagerschale 5 - abschnittsweise zusammengefaßt sein. Durch die Zähne 13 ergibt sich eine axiale Elastizität, die eine axia­ le Verschiebung der Schale 4 unter Ausnutzung der Ela­ stizität bei gleichbleibender radialen Abstützkraft für die Schale 4 ermöglicht.

Zur Gelenkmontage wird ein Verschlußring 14 auf die obere Lagerschale 4 aufgesetzt, wobei dieser mit sei­ ner unteren Seite auf den Ringflansch 12 drückt. Um eine entsprechende Spielfreiheit zu erreichen ist es nur erforderlich die axiale Länge des Ringflansches 12 und die Längen und Auflagenflächen des Gelenkgehäuses 3 so zu wählen, daß sich nach der Gelenkmontage eine Verspannung des Gelenkkopfes 2 über eine Berührlinie A-B zu einem unteren Punkt C im Lagerschalengrund der unteren Lagerschale 5 ergibt. (siehe Dreieck ABC in der Fig. 1). Beim Einbördeln durch ein entsprechendes Umbiegen eines Bördelringes 15 des Gelenkgehäuses 3 auf einen Ringabsatz 16 des Verschlußringes 14 ent­ steht auf diese Weise eine definierte Abstützung des Verschlußringes 14 im Gelenkgehäuse 3, und zwar unab­ hängig von der Größe der Einbördelkraft, und damit ei­ ne Berührung des Gelenkkopfes 2 auf der Linie A-B zur oberen Lagerschale 4. Damit entsteht eine Spielfrei­ heit ohne das Zapfengelenk stark vorspannen zu müssen.

Axialkräfte stützen sich im Punkt C am Lagerschalen­ grund der unteren Lagerschale 5 ab, wobei unabhängig von dem Schwenkwinkel des Gelenkes die Abstützung primär im Zentrumsbereich (Punkt C) erfolgt.

In den kreisringförmigen Schmierrillen 6 verbleibt je­ doch in jedem Fall ein hydrostatischer Druck.

Im Punkt C liegt stets die größte Flächenpressung vor, welche nach außen zu abnimmt. Mit steigender Belastung kommen durch eine entsprechende Verformung der unteren Lagerschale 5, die im allgemeinen aus Kunststoff be­ steht (ebenso wie die obere Lagerschale 4) vom Punkt C ausgehend dann nacheinander die einzelnen Ringe von innen nach außen immer mehr in Einsatz, wobei die Ab­ stützung über die äußeren Ringe nur im Extremfall, und vergleichsweise geringfügig erfolgt.

Wie ersichtlich ist es durch eine einfache Abstimmung der Form des Gelenkgehäuses 3, der unteren Lagerschale 5 und der Form des Gelenkkopfes 2 möglich, daß eine Punktberührung im Punkt C entsteht.

Durch die Zähne 13 am Ringflansch 12 wird auch ein Spielausgleich in axialer Richtung zwischen den Lager­ schalen 4 und 5 erreicht.

Durch eine entsprechende Wahl der Durchmesser der Zäh­ ne 13 und des Ringflansches 12 läßt sich für die obere Lagerschale 4 ebenfalls eine Verdrehsicherung, neben einem Axialtoleranzausgleich, erreichen.

Anzumerken ist noch, daß die Rillenstruktur der unte­ ren Lagerschale 5 nicht dergestalt sein muß, daß durchgehend kreisringförmige Schmierrillen 6 vorhanden sind. Um einen bestimmten Reibwert zu erreichen, kön­ nen noch entsprechende Aussparungen in der unteren La­ gerschale 5 vorgesehen sein. Dies ist beispielsweise durch eine zentrale Aussparung im mittleren Bereich oder durch Unterbrechungen der Kreisringe möglich. Wird eine zentrale Aussparung vorgesehen, so führt dies zu einer Abstützung in aus dem Zentrum (Punkt C) verlagerten Bereichen, also auf größerem Durchmesser, und damit zu einer höheren Reibung. Diese Ausgestal­ tung ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Wie ersicht­ lich liegt eine zentrale Aussparung 17 mit einem Durchmesser D in der unteren Lagerschale 5 vor. Die übrige Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispieles entspricht dem vorstehend genannten Ausführungsbei­ spiel, weshalb hierfür die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet worden sind.

Die Definitionen "untere" und "obere" Lagerschale sind nur beispielsweise - bezogen auf das dargestellte Aus­ führungsbeispiel - so gewählt. Je nach Einbaulage des Zapfengelenkes kann auch eine umgekehrte Definition auftreten.

Claims (9)

1. Zapfengelenk mit einem Gelenkzapfen, der mit einem eine wenigstens annähernd kugelförmige Lagerfläche aufweisenden Gelenkkopf in einer Ausnehmung eines napfartigen Gelenkgehäuses verdrehbar und auslenk­ bar gelagert ist, wobei der Gelenkkopf von einer unteren und einer oberen Lagerschale umfaßt ist, und wobei über der oberen Lagerschale ein Ver­ schlußring angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Lagerschale (5) auf ihre zum Gelenkkopf (2) zugewandten Seite eine Rillenstruktur mit we­ nigstens annähernd kreisringförmigen Schmierrillen (6) aufweist.

2. Zapfengelenk in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - ausgehend von einem zentralen Lagerschalengrund - eine Vielzahl von Schmierrillen (6) mit unter­ schiedlichen Durchmessern vorgesehen sind.

3. Zapfengelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Rillenstruktur bzw. der Schmierrillen (6) ausgespart sind.

4. Zapfengelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Schmierrillen (6) bzw. in einem Be­ reich der unteren Lagerschale (5), der näher am Ge­ lenkzapfen (1) liegt, zusätzliche Fettaschen (7) angeordnet sind.

5. Zapfengelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Lagerschale (5) am Außenumfang mit radi­ al über den Außenumfang vorstehenden rippen- oder wellenförmigen Vorsprüngen (10) versehen ist.

6. Zapfengelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lagerschale (4) auf ihrer dem Gelenkkopf (2) zugewandten Seite mit Fettaschen (11) versehen ist.

7. Zapfengelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fettaschen als durchgehende Schmiernuten (11) ausgebildet sind, die wenigstens annähernd vom obe­ ren bis zum unteren Ende der oberen Lagerschale (4) verlaufen.

8. Zapfengelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiernuten (11) mit den Fettaschen (7) in der unteren Lagerschale (5) fluchten.

9. Zapfengelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lagerschale (4) am Außenumfang mit einem Ringflansch (12) versehen ist, auf dessen Untersei­ te bzw. auf dessen zur unteren Lagerschale (5) ge­ wandten Seite eine Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Zähnen (13) vorgesehen sind, wobei auf der Oberseite der Verschlußring (14) an dem Ringflansch (12) anliegt und die obere Lager­ schale (4) mit ihren Zähnen (13) auf einem Absatz des Gelenkgehäuses (3) liegt.