CN1997829A

CN1997829A - 关节壳体

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Publication number: CN1997829A
Application number: CNA2005800244132A
Authority: CN
Inventors: R·孔泽; S·诺普; M·格尔克; W·卢斯蒂格; F·-J·马夸德特; M·布尔; J·艾斯曼; W·拉特曼; M·奎因格
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-07-11
Also published as: BRPI0513516A; JP2008506907A; WO2006007821A1; DE102004035072A1; MX2007000757A; EP1769165A1

Abstract

本发明涉及一种关节壳体(1)，在其内腔(2’)中比如可以布置一个轴瓦或一个分子关节。该关节壳体(1)具有一个壳体区(2)和一根固定杆(3)，其中所述固定杆(3)可装在一个空心型材(4)的端部区的一个凹座中并且可以与所述空心型材(4)的端部区挤压在一起。其中所述固定杆(3)设有一个至少部分环绕的凹槽结构(5)，用于在固定杆(3)和空心型材(4)之间建立形状配合的挤压连接。按本发明的关节壳体(1)的突出之处在于，所述凹槽结构的凹槽(5)在杆纵剖面中的轮廓与至少一种数学曲线函数的一个区段相一致。本发明可以使人们经济地生产用于球窝关节、车轮悬架、稳定器和类似部件的高强度轻型关节壳体。实现这一点的方法尤其在于，凹槽结构决定了壳体杆和空心型材之间挤压连接的性能，在此可以根据本发明借助于解析法对所述凹槽结构的几何形状进行优化处理。

Description

关节壳体

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的尤其用于容纳球窝关节的轴瓦或者容纳分子关节(Molekulargelenk)的关节壳体。

背景技术

所述类型的关节壳体比如应用在汽车底盘或车轮悬架领域。其中，所述关节壳体在大多数情况下用于将一个支承点、也就是比如一个球窝关节或一个分子关节与一个连接到所述关节壳体上的连杆的杆状型材或者说空心型材相连接。为此，所述类型的关节壳体一方面具有一个用于容纳球窝关节的轴瓦或容纳分子关节的壳体区，另一方面具有一个固定杆，该固定杆可以用合适的方式与所述连杆的杆状型材或者说空心型材相连接。

已知用以下方法将所述关节壳体的固定杆和一根连杆的空心型材相连接，即将所述固定杆插入所述由空心型材比如由一根管子构成的连杆的开口端部中，并且随后将该管端和插入其中的固定杆彼此冷挤压在一起。

为改善固定杆和管端之间挤压连接的固定状况，同样已知，在所述固定杆的基本上为圆柱形的表面上设置一种多数情况下包括多个凹槽的凹槽结构。其结果是，所述管端的轮廓在挤压管端和固定杆时通过相应的变形与所述固定杆的开槽表面相配合，由此在管端和固定杆之间出现一种不仅为传力连接的而且同样为形状配合连接的挤压连接。

但按现有技术，在多数情况下根据经验确定所述布置在固定杆上的凹槽的横截面形状和/或深度变化曲线。但这会导致这样的结果，即所述关节壳体的固定杆、固定杆的凹槽或者说在固定杆和管端之间的挤压连接没有以最佳的结构强度、最佳的材料利用率或者说没有以最佳的强度值来设计。

作为对此一同起决定作用的标准，尤其应该但绝非仅仅应该列举出下列因素，即所述固定杆的材料在凹槽结构范围内的纤维方向、所述固定杆的横截面在凹槽范围内的减小情况、由凹槽引起的横截面变化的缺口应力集中效应或者说根据凹槽而产生的棱边和半径以及在固定杆和管端之间的挤压连接的形状配合连接的强度和程度。

发明内容

在这样的背景下，本发明的任务是提供一种克服所列举的现有技术缺点的关节壳体。其中，尤其应该在高强度和小的构件重量方面对所述关节壳体的杆和空心型材的管端之间的挤压连接进行优化，其中与现有技术所不同的是，不是根据经验而是更确切地说应该尽可能根据解析法来进行这种优化。

该任务通过具有权利要求1所述特征的关节壳体得到解决。优选的实施方式是从属权利的主题。

所述按本发明的关节壳体以首先公知的方式具有一个壳体区和一个固定杆。其中，在所述关节壳体的内腔中或者说在壳体区的内腔中尤其可以布置球窝关节的轴瓦或一个分子关节。所述固定杆可装在一个空心型材的端部区的凹座中，并且可以与所述空心型材的端部区挤压在一起。为了在固定杆和空心型材之间获得形状配合挤压连接，所述关节壳体的固定杆具有一个带有至少一个凹槽的凹槽结构，其中所述凹槽结构沿着杆圆周的至少几个部分环绕着布置在固定杆上。但按本发明，所述关节壳体的突出之处在于，所述至少一个凹槽在杆纵剖面中的轮廓与至少一种数学曲线函数的一个区段相一致。换句话说，这意味着，该凹槽轮廓不再象现有技术一样以一种基本上根据来自经验的处理方式在工具制造中出现的形状的形式而存在，而是更确切地说确定地与一个数学曲线函数相一致。由此，尤其但绝非仅仅精确地确定了凹槽的性能，如凹槽深度、到关节壳体固定杆的过渡半径或者说过渡区、凹槽的体积、凹槽侧面的倾斜角和高度、以及由此产生的在固定杆和空心型材之间的形状配合连接的性能和强度值。通过这种方式，在固定杆和空心型材之间的挤压连接的所有性能、强度值和负荷能力都可以成为分析研究或者说优化的对象。

按照本发明优选的实施方式，所述凹槽轮廓由至少两种数学曲线函数的彼此相接的区段确定，其中所述至少两种曲线函数优选相切地过渡到彼此之中，或者说其中它们也可以优选是不同的数学曲线函数。通过这种方式，还额外地扩大了在固定杆上的凹槽轮廓的结构或者说造型方面的设计自由度，由此可以对固定杆和空心型材之间的挤压连接进行进一步优化并且实现该挤压连接更高的负荷能力。

根据本发明另一种优选的实施方式，所述凹槽轮廓的凹槽具有一种沿着杆圆周变化的轮廓深度或者说凹槽深度。换句话说，这意味着，固定杆上的凹槽轮廓的凹槽沿着固定杆的圆周深度并不均匀，或者说不是沿着固定杆的完整圆周环绕，而是更确切地说在固定杆的圆周的不同区域中具有不同的深度。

由此可以对所述挤压连接、在此尤其对关节壳体中固定杆和空心型材之间的挤压连接的抗扭强度进行进一步优化。在这种按本发明的关节壳体的实施方式中，抗扭强度的提高与下面情况密切相关，即凹槽的深度沿着固定杆圆周的变化提供了斜面，其坡度沿着固定杆的圆周方向变化。通过这种方式，出现同样沿着圆周方向起作用的固定杆和空心型材之间的形状配合连接，这种形状配合连接可靠地防止固定杆或者说关节壳体相对于空心型材的扭转。

此外，按照本发明的一种实施方式，凹槽的沿着杆圆周所测量的轮廓深度与至少一种数学曲线函数相一致。按照本发明另一种实施方式，凹槽的轮廓底部的沿着杆横向方向的变化曲线与至少一种数学曲线函数相一致。这两种实施方式用作替代方案，它们使人能够对要么沿着杆圆周要么沿着杆横向方向所观察到的凹槽深度变化曲线或者说凹槽轮廓底部的变化曲线作出一种尽可能普遍的定义。

其中，所述至少一种对凹槽在杆纵剖面中的轮廓或者说凹槽轮廓深度在杆横截面中的变化曲线进行描述的数学曲线函数优选来自于以下曲线函数的集合：

-圆弧段(半径)

-三角形

-梯形

-阶跃函数

-f(x)＝a_nxⁿ+a_n-1x+a₀形式的第1到n次的全有理函数

-f(x)＝ax^k形式的幂函数

-f(x)＝ax^p/q形式的根函数

-f(x)＝a^x形式的指数函数

-f(x)＝lnx形式的对数函数

-以下形式的三角函数

·f(x)＝sinx

·f(x)＝cosx

·f(x)＝tanx

·f(x)＝cotx

-以下形式的反三角函数

·f(x)＝arcsinx

·f(x)＝arccosx

·f(x)＝arctanx

·f(x)＝arccotx

-以下形式的双曲线函数

·f(x)＝hsinx

·f(x)＝hcosx

·f(x)＝htanx

·f(x)＝hcotx

·f(x)＝schx

·f(x)＝cschx

-以下形式的反双曲线函数

·f(x)＝arsinhx

·f(x)＝arcoshx

·f(x)＝artanhx

·f(x)＝arcothx

-n次代数曲线

-渐开线

-摆线

-螺旋线

-悬链线

-等切面曲线

-高斯正态分布曲线或同类函数

-多边形

这些基本的曲线函数尤其具有这样的优点，即它们在数学上可以比较容易地进行描述或者说定义，并且因此可以以解析法进行有效处理。由此可以对凹槽几何形状进行精确定义，并且由此可以以不容易出现误差的和可靠的计算方式尤其对固定杆和空心型材之间的挤压连接的性能进行计算。

只要在固定杆和壳体区之间的这种连接至少承受住和所述关节本身相同的负荷或者说承受住和固定杆与空心型材之间的连接相同的负荷，那么以何种方式使关节壳体的壳体区和固定杆彼此相连接这个问题对本发明的实现来说首先变得无关紧要。但是，按照本发明一种优选的实施方式，所述固定杆和壳体区一体连接或者与壳体区一体构成。一种如此构成的关节壳体尤其在构件重量、制造成本和特殊的构件强度方面具有优点。

根据本发明另一种优选的实施方式，在一个处于壳体区和固定杆之间的过渡区段中布置至少一个材料凹座或者说至少一个穿孔。该凹座或者说该穿孔处于所述过渡区段的特定区域中，这些特定区域对该过渡区段的轴向或相对平面惯性矩仅仅具有很小份额的贡献。

这种改进方案的背景在于，在所述壳体区和杆区或者说固定杆之间的过渡部分对壳体的构件强度来说具有决定意义。根据现有技术，所述类型的关节壳体在该位置上比如具有圆弧形用作处于壳体区和杆区之间过渡部分的几何造型。借助于一条切线连接到壳体区上这一方法同样得到公开，该切线以一种半径引入杆区中。但其中根据结构强度优化的观点优选使用相切的起点，因为所述包括一条圆弧或半径的替代方案会引起显著加大的缺口应力。

不过，与借助圆弧进行的连接相比，所述在壳体区和杆区之间在壳体区上进行的切线连接的缺点就是构件重量更大，此外，这种构件重量还会使构件成本更高。在该位置上，这里所探讨的实施方式以所述材料凹座或穿孔啮合在壳体区和固定杆之间的过渡区段中，因为通过这种方式可以在壳体区上选择过渡区段的十分有利的切线起点，而不必由此忍受构件重量增加的缺点。

换句话说，所述凹座或者说穿孔的布置导致这样的结果，即首先在过渡区段的范围内处于杆横截面的重心线附近或者说其重心附近的、并且由此对过渡区段的强度或刚度仅有很小贡献的过渡区段材料由于布置了所述至少一个材料凹座而从过渡区段中去除。通过这种方式得到一种关节壳体，该关节壳体在刚度值几乎不变的情况下具有优化的特别小的构件重量。

按照本发明一种优选的实施方式，所述凹座或者说穿孔在杆纵剖面中具有一种基本上三角形的横截面形状。三角形的横截面形状极佳地与壳体区和固定杆之间的过渡区的形状相配合，并且由此对过渡区的质量减轻和刚度之间的关系进行了优化。

按照另一种同样优选的实施方式，对所述凹座或者说穿孔的棱边和/或表面过渡部分进行了倒圆。这种造型减小了可能由所述过渡区中凹座或者说穿孔引起的缺口应力集中效应。

附图说明

下面根据仅仅示出了一种实施例的附图对本发明进行更详细地解释。其中：

图1是一种按本发明的具有一种合适的空心型材的关节壳体的实施方式的示意透视图；

图2是按图1的关节壳体的杆的横截面图；并且

图3是关节壳体另一实施方式的示意透视图。

具体实施方式

图1首先示意示出了一个关节壳体1。该关节壳体1具有一个壳体区2，在该壳体区2的内腔2’中比如可以布置球窝关节的这里未示出的轴瓦或者分子关节的这里同样未示出的弹性体构件。此外，该关节壳体1具有一个杆区3或者说一个固定杆3，该杆区或者说固定杆3可以插入一个这里仅仅部分示出的空心型材4、比如一个连杆4的空心端部中。

为了可以更好地看出，所述固定杆3在图1的视图中还未插入空心型材4中。在将该固定杆3插入该空心型材4中之后，可以用一种合适的挤压工具在空心型材4和固定杆3之间建立挤压连接。这里借助于布置在关节壳体1的固定杆3上的凹槽结构5在固定杆3和空心型材4之间产生一种形状配合的挤压连接。

其中按本发明，凹槽轮廓的凹槽表面的沿杆纵轴线的变化曲线与至少一种指定的数学曲线函数的一个区段相一致。通过这种方式，可以精确地用解析法确定或者说测定凹槽5的尺寸和性能、尤其是凹槽5的深度、到固定杆3的表面的过渡半径、凹槽体积、凹槽侧面的角度和形状以及由此相应产生的凹槽性能以及在固定杆3和空心型材4之间的形状配合挤压连接的强度值和刚度值。这就意味着，根据本发明借助于解析处理方式可以极佳地对固定杆3和空心型材4之间的连接的性能、强度值以及尤其是负荷能力进行优化。

图2以与图1相比放大的示意图示出了按图1的关节壳体1的杆3在凹槽结构的其中一个凹槽5的范围内的横截面。在此可以发现，凹槽5的轮廓深度沿着杆圆周从一个相应处于“12:00点”或者说“6:00点”的最大值改变为一个相应处于“3:00点”或者说“9:00点”的最小值。

其中，凹槽5的深度沿着杆圆周的变化曲线或者说凹槽5的轮廓底部6的在杆横向方向上描绘的变化曲线也与一种指定的数学曲线函数的一个区段相一致。

通过这种方式，额外地对在固定杆3和空心型材4之间的挤压连接、尤其是对挤压连接的抗扭强度进行了优化。在此抗扭强度得到提高，具体方法是，根据凹槽5的沿着杆圆周变化的深度来产生斜面6，该斜面6的坡度沿着固定杆3的圆周方向变化，由此沿着杆圆周方向也提供在杆3和空心型材4之间的连接的形状配合连接性。由此可靠地防止所述固定杆3或者说关节壳体1相对于空心型材4的扭转。

最后，图3示出了关节壳体1的另一种实施方式。在图3中示意示出的关节壳体1在壳体区2和固定杆3之间的过渡区段7中在两侧各有一个大致三角形的凹座8，其中在图3的示图中仅仅可以看到相对于图纸指向上方的凹座8。

所述凹座8布置在过渡区段7的特定区域中，这些特定区域仅仅具有过渡区段7横截面平面惯性矩的很小一部分。换句话说，这就意味着，由于凹座8尤其节省了在过渡区段7横截面的扭转重心附近或者说在其弯曲重心线附近的材料，由此就可降低关节壳体1的重量。

因为通过这种方式所节省的质量范围处于过渡区段1的近重心的区段中，所以由此实际上并未降低相对的或者说轴向的惯性矩，并且由此实际上也并未降低过渡区段7的抗扭刚度或者说抗弯刚度。这意味着，通过这种方式获得了这样的关节壳体1，其在刚度值或者说强度值实际上没有变化的情况下可以明显构造得更轻。

由此在结果上很明显，本发明能够在构件重量很小的情况下尤其在达到尽可能高的构件强度的方面对决定壳体杆和空心型材之间挤压连接的性能的凹槽结构的几何形状进行优化。其中，这种优化尤其尽可能借助于解析处理方式进行。通过这种方式，可以更快及更加节省费用地设计关节壳体、确定其尺寸并进行构造。

本发明由此大大有助于特别经济地生产用于球窝关节、车轮悬架、稳定器和类似部件的高品质的并且重量较轻的关节壳体。

附图标记列表

1 关节壳体

2 壳体区

2’ 内腔

3 固定杆

4 空心型材

5 凹槽

6 轮廓底部

7 过渡区段

8 凹座，穿孔

Claims

1.关节壳体(1)，在其内腔(2’)中尤其可以布置一个轴瓦或一个分子关节，该关节壳体(1)具有一个壳体区(2)和一根固定杆(3)，其中所述固定杆(3)可装在一个空心型材(4)的端部区的一个凹座中，并且可以与所述空心型材(4)的端部区挤压在一起，并且其中所述固定杆(3)具有一个沿着杆圆周的至少几个部分环绕的、包括至少一个凹槽(5)的凹槽结构，其特征在于，所述至少一个凹槽(5)在杆纵剖面中的轮廓与至少一种数学曲线函数的一个区段相一致。

2.按权利要求1所述的关节壳体，其特征在于，所述凹槽轮廓(5)由数学曲线函数的至少两个彼此相接的区段所确定。

3.按权利要求2所述的关节壳体，其特征在于，所述至少两种数学曲线函数相切地过渡到彼此之中。

4.按权利要求2或3所述的关节壳体，其特征在于，所述至少两个相切地过渡到彼此之中的区段来自不同的数学曲线函数。

5.按权利要求1到4中任一项所述的关节壳体，其特征在于，在所述杆横截面中，所述至少一个凹槽(5)的轮廓深度沿着杆圆周是变化的。

6.按权利要求5所述的关节壳体，其特征在于，所述至少一个凹槽(5)的沿着杆圆周的轮廓深度与至少一种数学曲线函数的一个区段相一致。

7.按权利要求5所述的关节壳体，其特征在于，所述至少一个凹槽(5)的轮廓底部(6)的沿着杆横向方向的变化曲线与至少一种数学曲线函数的一个区段相一致。

8.按权利要求1到7中任一项所述的关节壳体，其特征在于，所述至少一种数学曲线函数包括在以下曲线函数的集合中：

-圆弧段(半径)

-三角形

-梯形

-阶跃函数

-f(x)＝a_nxⁿ+a_n-1x+a₀形式的第1到n次的全有理函数

-f(x)＝ax^k形式的幂函数

-f(x)＝ax^p/q形式的根函数

-f(x)＝a^x形式的指数函数

-f(x)＝ln x形式的对数函数

-以下形式的三角函数

·f(x)＝sin x

·f(x)＝cos x

·f(x)＝tan x

·f(x)＝cot x

-以下形式的反三角函数

·f(x)＝arcsin x

·f(x)＝arccos x

·f(x)＝arctan x

·f(x)＝arccot x

-以下形式的双曲线函数

·f(x)＝hsin x

·f(x)＝hcos x

·f(x)＝htan x

·f(x)＝hcot x

·f(x)＝sch x

·f(x)＝csch x

-以下形式的反双曲线函数

·f(x)＝arsinh x

·f(x)＝arcosh x

·f(x)＝artanh x

·f(x)＝arcoth x

-n次代数曲线

-渐开线

-摆线

-螺旋线

-悬链线

-等切面曲线

-高斯正态分布曲线或同类函数

-多边形。

9.按权利要求1到8中任一项所述的关节壳体，其特征在于，所述固定杆(3)和关节壳体(1)的壳体区(2)一体连接。

10.按权利要求1到9中任一项所述的关节壳体，其特征在于，在一个处于壳体区(3)和固定杆(2)之间的过渡区段(7)中，在对平面惯性矩贡献很小的区域中布置至少一个凹座(8)。

11.按权利要求1到10中任一项所述的关节壳体，其特征在于，在一个处于壳体区(3)和固定杆(2)之间的过渡区段(7)中，在对平面惯性矩贡献很小的区域中布置至少一个穿孔(8)。

12.按权利要求10或11所述的关节壳体，其特征在于，凹座(8)或者说穿孔(8)在杆纵剖面中具有一种基本上三角形的横截面形状。

13.按权利要求10到12中任一项所述的关节壳体，其特征在于，对所述凹座(8)或者说穿孔(8)的棱边或者说表面过渡部分进行倒圆。