DE10002757B4

DE10002757B4 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE10002757B4
Application number: DE2000102757
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. Spalthoff; Rainer Büsching
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2000-01-22
Filing date: 2000-01-22
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2020-01-23
Also published as: WO2001053710A1; DE10002757A1; AU2001223687A1

Abstract

Sich selbst nachstellendes Kugelgelenk mit einem einen Bolzen (1) tragenden Kugelelement (2), das schwenkbar in einer zugeordneten Kalotte aufgenommen ist, wobei die Kalotte aus einem ersten (3) und einem zweiten Kalottenelement (4) zusammengesetzt ist, die zum Verschleißausgleich über eine mit einer Kraft beaufschlagten Nachstelleinrichtung gegeneinander verschiebbar sind, und die Kalottenelemente (3, 4) über einen Gewindeverbund, welcher ein Außengewinde (8) des ersten Kalottenelementes (3) sowie ein hiermit zusammenwirkendes Innengewinde (9) des zweiten Kalottenelementes (4) aufweist, formschlüssig, jedoch in rotativer und damit axialer Richtung beweglich verbunden sind, und wobei auf den Gewindeverbund ein dauerhaft wirkendes Drehmoment mittels einer zwischen den Kalottenelementen (3, 4) wirkenden Feder aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder als Spiralfeder (13) und das erste Kalottenelement (3) L-förmig ausgebildet ist, wobei ein erster Schenkel (6) eine Ausnehmung (12) aufweist, in der die Spiralfeder (13) angeordnet ist und ein zweiter Schenkel (7) das Außengewinde (8) trägt, auf dessen abgewandter Seite...

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein sich selbst nachstellendes Kugelgelenk mit einem einen Bolzen tragenden Kugelelement, das schwenkbar in einer zugeordneten Kalotte aufgenommen ist, wobei die Kalotte aus einem ersten und einem zweiten Kalottenelement zusammengesetzt ist, die zum Verschleißausgleich über eine mit einer Kraft beaufschlagten Nachstelleinrichtung gegeneinander verschiebbar sind.
Hintergrund der Erfindung
Ein sich selbst nachstellendes Kugelgelenk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der US 3,384,397 A bekannt. Dieses Kugelgelenk weist zwei durch Federkraft gegeneinander verspannte Kalottenelemente auf, welche mittels Gewinde relativ zueinander verstellbar sind.
Ein weiteres selbst nachstellendes Kugelgelenk ist aus der DE 1 450 064 A bekannt. Diese Kugelgelenk soll insbesondere für Aufhängungen von lenkbaren Rädern eines Kraftfahrzeugs verwendbar sein.
Ein im Kraftfahrzeugbau als Lenkungslager eingesetztes Kugelgelenk ist aus der US 3,250,555 A vorbekannt. Ein einen Bolzen tragendes Kugelelement ist in einem Gehäuse aufgenommen. Dieses Gehäuse enthält zwei sphärisch ausgebildete übereinander angeordnete Kalottenelemente, die als Gleitpartner dienen, wobei das untere Kalottenelement gegen das obere bei eintretendem Verschleiß verschoben werden kann, d. h. die Kalottenelemente nähern sich einander an. Dies erfolgt derart, dass das untere Kalottenelement von einer Nachstellschraube beaufschlagt ist. Diese Schraube ist über ihr Außengewinde von einem Innengewinde einer Aufnahmeöffnung eines zusätzlichen Bauteiles aufgenommen, das ebenfalls im Gehäuse untergebracht ist. Am vom unteren Kalottenelement abgewandten Ende ist die Nachstellschraube mit einem Federelement verbunden, das ein auf diese wirkendes Drehmoment erzeugt. Tritt nun bei einem oder beiden Gleitpartnern Materialabtrag durch Verschleiß ein, so bewegt sich die in der Aufnahmeöffnung des zusätzlichen Bauteils untergebrachte Verstellschraube durch das auf sie einwirkende Drehmoment nach oben und verschiebt dabei das untere Kalottenelement gegen das obere, so dass Spielfreiheit zwischen den beteiligten Partnern der Gelenkverbindung hergestellt ist.
Nachteilig dabei ist, dass die Kraftaufnahme einer solchen Gelenkverbindung einerseits durch die Gewindetragfähigkeit der Verstellschraube und andererseits durch die Tragfähigkeit der Kontaktfläche zwischen der Stirnfläche der Verstellschraube und dem unteren Kalottenelement begrenzt ist. Es ist auch von Nachteil, dass das die Verstellschraube aufnehmende Bauteil zusätzlich zu fertigen und zu handhaben ist. Schließlich ist weiter von Nachteil, dass ein solches Kugelgelenk aufgrund seiner Bauweise in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Steifigkeiten aufweist. Insbesondere bei Auftreten von relativ großen Kräften in Richtung Verstellschraube scheint eine solche Gelenkverbindung nicht allen Anforderungen gewachsen zu sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gelenkverbindung der gattungsgemäßen Art unter Vermeidung der bisherigen Nachteile so zu verbessern, dass sie einfacher aufgebaut ist und in allen Belastungsrichtungen die gleiche Steifigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Auf diese Weise sind die Gleitpartner selbst, d. h. die Kalottenelemente, direkt mit der Verstellfunktion zum Verschleißausgleich ausgestattet. Durch den im Vergleich zur Verstellschraube im Umfang wesentlich größeren Gewindeverbund der Kalottenelemente ist auch ein Vielfaches an Kraft übertragbar, ohne dass die beteiligten Partner in Mitleidenschaft gezogen werden. Dadurch bedingt ergibt sich in allen räumlichen Belastungsrichtungen ein steifes System, dessen Kraftübertragung nicht vom Nachstellmechanismus negativ beeinflussbar ist.
Der Lagerspielausgleichsmechanismus ist vom Kraftlauf der Betriebskräfte abgekoppelt. Dadurch ist man in der Lage, die Lagervorspannkräfte unabhängig von der Höhe der Betriebskräfte anwendungstechnisch sinnvoll zu dimensionieren. Vorspannungen, die sonst aus Sicherheitsgründen notwendig waren, und die daraus resultierenden Wirkungsgradverluste entfallen somit.
Das erste Kalottenelement weist ein Außengewinde auf, mit dem es in ein Innengewinde des zweiten Kalottenelementes eingreift. Die beiden Kalottenelemente sind über eine Spiralfeder miteinander verbunden. Das erste Kalottenelement ist L-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel eine Ausnehmung aufweist, in der die Spiralfeder angeordnet ist und ein zweiter Schenkel das Außengewinde trägt, auf dessen abgewandter Seite die kalottenförmige Ausnehmung angeordnet ist. Auch das zweite Kalottenelement ist L-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel das Innengewinde trägt und ein zweiter Schenkel die kalottenförmige Ausnehmung bildet. Die Spiralfeder ist mit dem zweiten Kalottenelement über ein Zwischenteil verbunden, das einen Mittelteil aufweist, dessen an beiden Enden in entgegengesetzter Richtung abgewinkelte Flansche den ersten Schenkel des ersten Kalottenelements und den zweiten Schenkel des Kalottenelements überdecken.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben. So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass das Drehmoment durch Federkraft, Gas oder Flüssigkeitsdruck erzeugt ist. Nach Anspruch 3 ist vorgesehen, daß Zwischenteil und zweites Kalottenelement über Befestigungsschrauben oder andere Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Aus Anspruch 4 geht hervor, dass beide Kalottenelemente mit einem die Reibung vermindernden Gleitbelag versehen sein sollen. Schließlich ist nach einem letzten Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 vorgesehen, dass das Kugelgelenk in Werkzeugmaschinen des HEXAPOD-Systems eingesetzt ist. Diese Werkzeugmaschinen einer neueren Generation bewegen im Gegensatz zu konventionellen Werkzeugmaschinen geringere Massen. Dies hat zu Folge, dass höhere Stellgeschwindigkeiten gefahren werden können, wobei insbesondere die Steifigkeit zwischen Rahmen und Werkzeugaufnahme sehr hoch sein muss. Eine solche Werkzeugmaschine kann aus mehreren Armen bestehen, die einerseits an einem Rahmen und andererseits an einer Werkzeugaufnahme gelenkig befestigt sind. Dabei kann das erfindungsgemäße Kugelgelenk in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Gegenüber in diesem Zusammenhang auch eingesetzten wälzgelagerten Gelenken ist von Vorteil, dass bei Kugelgelenken auf Gleitlagerbasis bei gleicher Funktionalität geringere Kosten verursacht werden. Außerdem haben in derartigen Anlenkungspunkten eingesetzte Gelenke auf Wälzlagerbasis den Nachteil, dass sich Vibrationen und pulsierende Belastungen im Betriebszustand der Werkzeugmaschine eher negativ auf Wälzlager als auf Gleitlager auswirken.
Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen perspektivischen Halbschnitt eines erfindungsgemä ßen Kugelgelenks und
2 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine nach dem HEXAPOD-System.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Gelenkverbindung gemäß 1 besteht aus dem den Bolzen 1 tragenden Kugelelement 2, das um die Achsen X, Y, Z schwenkbar in einer nicht bezeichneten Kalotte aufgenommen ist. Diese Kalotte wird aus dem ersten Kalottenelement 3 und dem zweiten Kalottenelement 4 gebildet, wobei beide zur Reibungsverminderung mit je einem sphärisch ausgebildeten Gleitbelag 5 versehen sind. Das erste Kalottenelement 3 ist im Schnitt längs zur Achse Z L-förmig gestaltet und weist den ersten Schenkel 6 und den zweiten Schenkel 7 auf. Der zweite Schenkel 7 ist an seiner Mantelfläche mit dem Außengewinde 8 versehen, das mit dem Innengewinde 9 des zweiten Kalottenelements 4 einen Gewindeverbund bildet. Das zweite Kalottenelement 4 ist ebenfalls L-förmig ausgebildet, wobei der erste Schenkel 10 das Innengewinde 9 und der zweite Schenkel 11 den Gleitbelag 5 trägt. Der erste Schenkel 6 des Kalottenelements 3 ist mit der umlaufenden Ausnehmung 12 versehen, in der die Spiralfeder 13 untergebracht ist. Diese ist an einem Ende über den Stift 14 mit dem ersten Kalottenelement 3 und am anderen Ende mit dem zweiten Kalottenelement 4 verbunden. Diese Verbindung der Spiralfeder 13 mit dem zweiten Kalottenelement 4 erfolgt über das Zwischenteil 16, dessen Mittelteil 17 am oberen und unteren Ende in zwei in entgegengesetzter Richtung abgewinkelte Flansche 18 und 19 endet. Der untere Flansch 18 ist über den Stift 15 mit dem zweiten Ende der Spiralfeder 13 verbunden, so dass deren Drehmoment über das Zwischenteil 16 und die Befestigungsschrauben 20 auf das zweite Kalottenelement 4 übertragen werden kann. Um eine sichere radiale Führung der beiden rotationssymmetrisch ausgebildeten Kalottenelemente 3 und 4 ineinander zu gewährleisten, weisen der erste Schenkel 6 des Kalottenelements 3 und der Flansch 18 des Zwischenteiles 16 je einen Vorspruch 22 und 21 auf, wobei der Vorsprung 21 den Vorsprung 22 in radialer Richtung umgreift.
Bei durch Verschleiß der Gleitbeläge 5 auftretendem Lagerspiel wird das zweite Kalottenelement 4 im Uhrzeigersinn gegenüber dem ersten Kalottenelement 3 relativ verdreht, bis der werkstoffliche Kontakt der beiden Gleitbeläge mit der der Spiralfeder 13 entsprechenden Vorspannung wiederhergestellt ist. Dieser Vorgang läuft automatisch ab und wird immer dann ausgelöst, wenn bei eintretendem Verschleiß ein Lastwechsel eintritt, d. h. der Gewindeverbund ohne Last ist. Die Spiralfeder 13 ist dabei so ausgelegt, dass Nachstellwege erreicht werden, die dem gesamten Lebensdauerverschleiß der Lageranordnung entsprechen. Der erfindungsgemäß ausgebildete Verstellmechanismus arbeitet selbsthemmend und überträgt auf diese Weise in jeder beliebigen Nachstellung mit großer Steifigkeit die Betriebskräfte auch in Zugrichtung (Z-Achse), ohne dass der Arbeitsspeicher (Spiralfeder 13) für die Nachstellung davon kräftemäßig berührt ist.
Die in 2 abgebildete Werkzeugmaschine 23 der neuen HEXAPOD-Generation ist mit mehreren, aus ineinandergesteckten Rohren 24, 25 gebildeten Teleskoparmen 26 versehen. Diese Teleskoparme 26 sind einerseits am Rahmen 27 und andererseits an der Werkzeugaufnahme 28 gelenkig befestigt. Die Werkzeugaufnahme 28 ist mit einem nicht dargestellten Werkzeug versehen, das vom Motor 29 angetrieben wird. Durch Ein- bzw. Ausfahren eines oder mehrere Teleskoparme 26 lässt sich die Werkzeugaufnahme 28 in jeder gewünschten Position im Raum bewegen. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenke können bei der abgebildeten Werkzeugmaschine 23 sowohl am Rahmen 27 als auch an der Werkzeugaufnahme 28 in vorteilhafter weise eingesetzt werden.

1: Bolzen
2: Kugelelement
3: erstes Kalottenelement
4: zweites Kalottenelement
5: Gleitbelag
6: erster Schenkel
7: zweiter Schenkel
8: Außengewinde
9: Innengewinde
10: erster Schenkel
11: zweiter Schenkel
12: Ausnehmung
13: Spiralfeder
14: Stift
15: Stift
16: Zwischenteil
17: Mittelteil
18: Flansch
19: Flansch
20: Befestigungsschraube
21: Vorsprung
22: Vorsprung
23: Werkzeugmaschine
24: Rohr
25: Rohr
26: Teleskoparm
27: Rahmen
28: Werkzeugaufnahme
29: Motor

Claims

Sich selbst nachstellendes Kugelgelenk mit einem einen Bolzen (1) tragenden Kugelelement (2), das schwenkbar in einer zugeordneten Kalotte aufgenommen ist, wobei die Kalotte aus einem ersten (3) und einem zweiten Kalottenelement (4) zusammengesetzt ist, die zum Verschleißausgleich über eine mit einer Kraft beaufschlagten Nachstelleinrichtung gegeneinander verschiebbar sind, und die Kalottenelemente (3, 4) über einen Gewindeverbund, welcher ein Außengewinde (8) des ersten Kalottenelementes (3) sowie ein hiermit zusammenwirkendes Innengewinde (9) des zweiten Kalottenelementes (4) aufweist, formschlüssig, jedoch in rotativer und damit axialer Richtung beweglich verbunden sind, und wobei auf den Gewindeverbund ein dauerhaft wirkendes Drehmoment mittels einer zwischen den Kalottenelementen (3, 4) wirkenden Feder aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder als Spiralfeder (13) und das erste Kalottenelement (3) L-förmig ausgebildet ist, wobei ein erster Schenkel (6) eine Ausnehmung (12) aufweist, in der die Spiralfeder (13) angeordnet ist und ein zweiter Schenkel (7) das Außengewinde (8) trägt, auf dessen abgewandter Seite die kalottenförmige Ausnehmung angeordnet ist, und dass das zweite Kalottenelement (4) ebenfalls L-förmig ausgebildet ist, wobei ein erster Schenkel (10) das Innengewinde (9) trägt und ein zweiter Schenkel (11) die kalottenförmige Ausnehmung bildet, und dass die Spiralfeder (13) mit dem zweiten Kalottenelement (4) über ein Zwischenteil (16) verbunden ist, das einen Mittelteil (17) aufweist, dessen an beiden Enden in entgegengesetzter Richtung abgewinkelte Flansche (18, 19) den ersten Schenkel (6) des ersten Kalottenelements (3) und den zweiten Schenkel (11) des zweiten Kalottenelements (4) überdecken.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment durch Federkraft, Gas- oder Flüssigkeitsdruck erzeugt ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenteil (16) und zweites Kalottenelement (4) über Befestigungsschrauben (20) oder andere Verbindungselemente miteinander verbunden sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kalottenelemente (3, 4) mit einem Gleitbelag (5) versehen sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in Werkzeugmaschinen (23) vom Typ des HEXAPOD-Systems eingesetzt ist.