DE10148426C5

DE10148426C5 - Kugelgelenk zur Verbindung von Hebelsystemen in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10148426C5
Application number: DE10148426A
Authority: DE
Inventors: Peter Hofmann
Original assignee: ZF Boge Elastmetall GmbH
Current assignee: ZF BOGE ELASTMETALL GMBH, 49448 LEMFOERDE, DE
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: DE10148426C1

Abstract

Kugelgelenk zur Verbindung von Hebelsystemen, insbesondere von Lenkerelementen mit Steuerhebeln in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einer Kugelpfanne vorzugsweise im Lenkerelement und einer dort gelagerten Kugel eines Kugelzapfens mit einem Kugelschaft, über den die Kräfte vom Steuerhebel zum Lenkerelement oder in umgekehrter Richtung verlaufen, wobei die Kugel (1) ein Profil, insbesondere eine Ringnut (3), aufweist, die mit einem Gummielement (4) in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Gummielement (4) unter Vorspannung mit einer rohrförmigen Kugelhülse (11) verbunden ist, die in der Kugelpfanne (12) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk zur Verbindung von Hebelsystemen, insbesondere von Lenkerelementen mit Steuerhebeln in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einer Kugelpfanne vorzugsweise im Lenkerelement und einer dort gelagerten Kugel eines Kugelzapfens mit einem Kugelschaft, über den die Kräfte vom Steuerhebel zum Lenkerelement oder in umgekehrter Richtung verlaufen.
Aus dem Stand der Technik sind Kugelgelenke bekannt, die als gelenkige Verbindung zwischen Lenkerelementen und Steuerhebeln in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um eine spiellose Kraftübertragung sicher zu stellen, wenn die Lenkerelemente in anderen Ebenen schwingen, als die Steuerhebel. Diese Kugelgelenke setzen sich zusammen aus einem Kugelzapfen mit einer Kugel, um die ein Kunststoffkäfig als Kugelpfanne angeordnet ist. Der Kunststoffkäfig ist in ein Gehäuse eingelegt und von einem Deckel gesichert. Der Deckel ist über eine Verrollung mit dem Gehäuse verbunden und bewirkt, dass der Kugelzapfen mit dem Gehäuse zu einer Baueinheit zusammen geführt wird. Die Kugel kann sich nun in der Kugelpfanne drehen oder verschwenken, was durch eine schmutzfreie Fettschmierung unterstützt wird. Um das Eindringen von Schmutz zu verhindern, wird eine gummielastische Schutzkappe am Gehäuse schmutzdicht angeordnet und am Schaft des Kugelzapfens mit einem Klemmring gesichert. Im Innern der Schutzkappe sorgt eine Fettfüllung für eine lebenslange Schmierung des Kugelgelenks, oder wenigstens so lange, wie das gummielastische Material nicht versprödet.
Die Nachteile liegen sowohl in der Funktion, als auch in der aufwändigen Herstellung solcher Kugelgelenke, bei denen der Deckel in einer gesonderten Operation angerollt werden muss. Außerdem ist eine Fettfüllung an zu bringen und die Schutzkappe, welche als Gummiteil vorwiegend nur in Handarbeit durch Aufziehen zweier Klemmringe befestigt werden kann. Eine weitgehend maschinelle Herstellung ist somit nur unter erheblichem Aufwand möglich. Eine genauere Gegenüberstellung der Funktionsvorteile wird später, nämlich nach der Aufgabenstellung diskutiert.
Gelenke dieser Art (z. B. DE 28 31 470 C2 ) sind bekannt, bei denen ein Gummielement für die Beweglichkeit der Kugel und des Zapfens sorgt.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher ein Kugelgelenk vor, welches dem Stand der Technik gegenüber eine Reihe von Vorteilen aufweist und bei ausreichender technischer Ausstattung auch kostengünstiger her zu stellen ist. Das vorgeschlagene Kugelgelenk weist den bekannten Kugelzapfen mit einer Kugel und einem Kugelschaft auf, wobei die Kugel jedoch eine Ringnut am größten Durchmesser in einer Ebene quer zur Mittelachse des Kugelschaftes aufweist, in die ein ringförmiges Gummielement formschlüssig eingerastet werden kann. Dieses als Ring gestaltete Gummielement weist zur Mitte hin das Negativ der Ringnut sowie teilweise das Negativ der Kugel auf, so dass das Gummielement auf die Kugel aufschnappt, wenn sein Innendurchmesser etwas kleiner gehalten wird, als der Außendurchmesser der Kugel.
Der so gewonnene erste Zusammenbau wird in ein Rohr gepresst, welches koaxial zum Kugelschaft gerichtet ist und einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist, als der äußere Durchmesser des auf der Kugel montierten Gummielementes, und größer, als der Außendurchmesser der Kugel. Nachdem der erste Zusammenbau in eine bestimmten Tiefe im Rohr eingeschoben ist, fixiert er sich dort selbst durch die Vorspannung des Gummimaterials und stellt so ei nen vorläufigen zweiten Zusammenbau dar. Das Rohr desselben wird in einem Prägewerkzeug derart verformt, dass es eine Kugelform annimmt, deren Innendurchmesser in etwa dem Innendurchmesser des vorher eingelegten Rohres entspricht.
Aus dem Rohr ist also eine Kugelhülse entstanden, die das Gummielement jetzt noch stärker unter Vorspannung setzt, da der Ringraum für das Gummielement gegenüber dem im ersten Zusammenbau noch kleiner geworden ist. Außerdem fließt das Gummimaterial noch weiter um die Kugel herum und spannt diese in der Kugelhülse noch weiter vor.
Der so gewonnene fertige zweite Zusammenbau kann jetzt in einem Lenkerelement befestigt werden, was am besten in bekannter Weise durch einen Sicherungsring mit einem Fenster geschieht, der über den Kugelschaft geschoben und am Lenkerelement befestigt wird. Die Kugelhülse wird also in das Lenkerelement eingespannt, wobei formschlüssige Positionssicherungen an der Kugelhülse und/oder im Lenkerelement diese Fixierung bei großen zu übertragenden Kräften noch unterstützt. Das Fenster im Sicherungsring weist vorzugsweise eine kleine lichte Weite auf, deren Maß kleiner ist, als der Durchmesser der Kugel, um bei gewaltsamer Zerstörung des Kugelgelenks die Trennung des Kugelzapfens von der Kugelhülse zu verhindern.
Da, wie bereits gesagt, die Herstellung des vorgeschlagenen reibungsfreien Kugelgelenks ein wichtiger Teil des Erfindungsgedankens ist, wird eine Presseinrichtung vorgeschlagen, die an einem ersten Operationsplatz ein Presswerkzeug und an einem zweiten Operationsplatz ein mit dem ersten Operationsplatz verkettetes und möglichst taktgleich arbeitendes Prägewerkzeug aufweist, wobei am ersten Operationsplatz das Rohr und der erste Zusammenbau und schließlich am zweiten Operationsplatz der vorläufige zweite Zusammenbau eingelegt werden müssen. Es wird daher ein Verfahren zur Herstellung dieses Kugelgelenkes zur Verbindung von Lenkerelementen mit Steuerhebeln vorgeschlagen, welches aus einer Kugelpfanne im Lenkerelement und einem in dieser gelagerten Kugel eines Kugelzapfens mit einem Kugelschaft besteht, über den die Kräfte vom Steuerhebel über die Kugelpfanne zum Lenkerelement oder in umgekehrter Richtung verlaufen, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

1. Bereitstellung eines Kugelzapfens, mit dessen Kugel ein Gummielement über eine Ringnut zu einem ersten Zusammenbau formschlüssig verbunden ist;
2. Bereitstellung einer Presseinrichtung mit einem Kalibrierring, der einen Einführkegel auf den Durchmesser eines in die Presseinrichtung ein zu legendes Rohres aufweist sowie mit einem Presswerkzeug, vorzugsweise bestehend aus einem Stempel und einem Ringstempel;
3. Einlegen des ersten Zusammenbaus, nämlich des Kugelschaftes mit dem Gummielement, in die Presseinrichtung und wahlweise Benetzen des Einführkegels mit Gleitmittel;
4. Einleiten des Pressvorgangs durch Niederfahren des Presswerkzeuges, wobei der Stempel die Kugel und der Ringstempel das Gummielement gleichzeitig im Rohr positioniert und so einen zweiten vorläufigen Zusammenbau erzeugt;
5. Bereitstellung eines Prägewerkzeuges, möglichst in der gleichen Presseinrichtung, das ein Oberteil mit dem Negativ der Kugelpfanne und ein Unterteil mit dem Negativ des Sicherungsringes aufweist;
6. Einlegen des zweiten vorläufigen Zusammenbaus in das Prägewerkzeug und Zusammenfahren desselben;
7. Entnahme des zweiten Zusammenbaus, in welchem sich das Rohr in eine Kugelhülse verformt hat.

Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein Kugelgelenk zu schaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik Funktionsvorteile sowie Vorteile in den Herstellkosten aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Hauptanspruches und des Verfahrensanspruches beschrieben. Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteile des vorgeschlagenen Kugelgelenks im Sinne der Aufgabe liegen vor Allem in den folgenden Merkmalen:

1. Das Kugelgelenk besitzt wegen der physikalischen Eigenschaft von Elastomer kein Losbrechmoment beim Auslenken des Zapfens;
2. Durch Elastomer werden Geräusche isoliert;
3. Eine Relativbewegung zwischen dem Lenkerelement und dem Kugelhebel ist nicht möglich, wodurch das System einen sehr geringen Verschleiß aufweist, wahlweise läßt sich jedoch auch ein Gleiten an den Oberflächen möglich sein.
4. Vergrößert sich das Spiel beim Stand der Technik zwischen der Kugel und der Kugelpfanne, so besteht Klapperneigung, die bei dem vorgeschlagenen Kugelgelenk durch die hohe Vorspannung des Gummielements über die gesamte Lebensdauer nicht entsteht;
5. Kosten: Da keine Relativbewegung stattfindet, braucht die Oberfläche der Kugel auch nicht gehärtet zu sein;
6. Kosten: Enge Toleranzen sind bei der Kugelherstellung nicht erforderlich;
7. Kosten: Es können billigere Materialien für den Kugelzapfen zum Einsatz kommen;
8. Kosten: Es wird kein Schmiermittel gebraucht;
9. Kosten: Es wird keine Schutzkappe gebraucht;
10. Montagevorteile: Durch das Rückstellmoment des Kugelzapfens haben alle Systeme, in denen diese Kugelgelenke eingesetzt werden können, das Bestreben, in ihre 0-Lage zurück zu schwenken;
11. Mechanische Eigenschaften: Die Kugel kann in ihrer Kugelhülse um 50 Grad verdreht werden, wobei eine gleichzeitige Kardanik von 30 Grad ohne bleibende Schäden möglich ist;
12. Konstruktive Freiheiten: Das Gummielement kann durch unterschiedliche Innendurchmesser der Kugelhülse in einem großen Bereich verschieden stark vorgespannt werden;
13. Konstruktive Freiheiten: Durch die Wahl von Gummimischungen mit unterschiedlichen Shore-Härten kann das akustische Isolationsverhalten variiert werden.

Anhand mehrerer Zeichnungen wird das vorgeschlagene Kugelgelenk sowie dessen Herstellungsverfahren erläutert. Es zeigen:
1 ein Lenkerelement mit einem Sicherungsring zur Sicherung eines Kugelzapfens;
2 den Kugelzapfen und dessen Lagerung im Lenkerelement über ein Gummielement in einer Kugelhülse;
3 Eine Anordnung des Kugelzapfens mit dem Gummielement unter einem Werkzeug zum gemeinsamen Einpressen in ein Rohr;
4 Einen vorläufigen Zusammenbau des Rohres mit dem Gummielement und dem Kugelzapfen.
Wird mit 2 ein Kugelzapfen eines Kugelgelenks zur Verbindung von Hebelsystemen bezeichnet, so weist dieser eine Kugel 1 mit einer Ringnut 3 am größten Durchmesser der Kugel 1 in einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse M eines Kugelschaftes 20 auf. Aus den 1 und 2 geht die Position des Kugelzapfens 2 in einem Lenkerelement 16 hervor, welches ein Einsatzstück für einen Lenker, oder dieser selbst sein kann. Das Lenkerelement 16 weist eine Kugelpfanne 12 mit Positionssicherungen 15 auf, wo eine Kugelhülse 11 in einer definierten Lage eingelegt werden kann. Um die Kugel 1 des Kugelzapfens 2 herum ist ein Gummielement 4 zu einem ersten Zusammenbau angeordnet, das über die Ringnut 3 formschlüssig mit der Kugel 1 in Verbindung steht und in den verbleibenden Raum zwischen der Kugel 1 und der Kugelhülse 11 unter Vorspannung eingepresst ist. Der erste Zusammenbau stellt also mit der Kugelhülse 11 einen zweiten Zusammenbau dar, der in das Lenkerelement 16 mit seinen Positionssicherungen 15 eingelegt und dort durch einen Sicherungsring 13, der über Befestigungselemente 14 mit dem Lenkerelement 16 verspannt wird, gesichert wird.
Wie aus der 1 hervorgeht, weist der Sicherungsring 13 ein Fenster 17 auf, das von dem Kugelschaft 20 durchragt wird. Das Fenster 17 ist von einer solchen Gestalt, dass der Kugelschaft 20 in einer Querachse X-X wegen einer kleinen lichten Weite 19 des Fensters 17 nur mit relativ geringen Ausschlägen verschwenkt werden kann, während senkrecht zu dieser Querachse X-X wegen einer großen lichten Weite 18 auch größere Schwenkausschläge für den Kugelschaft 20 möglich sind.
Aus der 3 geht hervor, wie es zu dem vorbeschriebenen zweiten Zusammenbau kommt: Eine hier nicht gezeigte Presseinrichtung weist ein Presswerkzeug 8 auf, das vorzugsweise aus einem Stempel 9 und einem Ringstempel 10 besteht. An diesem ersten Operationsplatz ist ortsfest ein Kalibrierring 6 mit einem Einführkegel 7 angeordnet, an den sich ein Rohr 5 anschließt, das unterhalb des Kalibrierringes 6 eingelegt werden kann.
Wird nun der erste Zusammenbau, nämlich der Kugelzapfen 2 mit dem Gummielement 4, gemäß dem vorbeschriebene Herstellungsverfahren in die Presseinrichtung eingelegt und das Werkzeug 8 nieder gefahren, so ergibt sich gemäß der 4 der vorläufige zweite Zusammenbau, wobei die Kugel 1 mit dem Gummielement 4 unter Vorspannung in eine bestimmte Lage im Rohr 5 zueinander verpresst wurde. Die Fertigstellung des zweiten Zusammenbaus ergibt sich dadurch, dass in einem hier nicht gezeigten Prägewerkzeug, welches möglichst ebenfalls in der Presseinrichtung angeordnet sein sollte, das Rohr 5 zu der in der Kugelhülse 11 benötigten Form umgeformt wird. Das Prägewerkzeug wird vorzugsweise mit dem Presswerkzeug 8 verkettet und taktgleich betrieben. Das Prägewerkzeug weist wahlweise auch die Positionssicherungen 15 auf, die in die Kugelhülse 11 eingearbeitet werden, um die Kugelhülse 11 in der Kugelpfanne 12 des Lenkerelementes 16 zu fixieren.

1: Kugel
2: Kugelzapfen
3: Ringnut
4: Gummielement
5: Rohr
6: Kalibrierring
7: Einführkegel
8: Presswerkzeug
9: Stempel
10: Ringstempel
11: Kugelhülse
12: Kugelpfanne
13: Sicherungsring
14: Befestigungselement
15: Positionssicherung
16: Lenkerelement
17: Fenster
18: Große lichte Weite
19: Kleine lichte Weite
20: Kugelschaft
M: Mittelachse
X: Querachse

Claims

Kugelgelenk zur Verbindung von Hebelsystemen, insbesondere von Lenkerelementen mit Steuerhebeln in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einer Kugelpfanne vorzugsweise im Lenkerelement und einer dort gelagerten Kugel eines Kugelzapfens mit einem Kugelschaft, über den die Kräfte vom Steuerhebel zum Lenkerelement oder in umgekehrter Richtung verlaufen, wobei die Kugel (1) ein Profil, insbesondere eine Ringnut (3), aufweist, die mit einem Gummielement (4) in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Gummielement (4) unter Vorspannung mit einer rohrförmigen Kugelhülse (11) verbunden ist, die in der Kugelpfanne (12) angeordnet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gummielement (4) ein Gummiring ist, der die Kugel (1) mit der Kugelpfanne (12) im Lenkerelement (16) verbindet.
Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülse (11) drehfest in der Kugelpfanne (12) gelagert ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülse (11) und die Kugelpfanne (12) Positionssicherungen (15) aufweisen, mit Hilfe derer die Kugelhülse (11) mit der Kugelpfanne (12) formschlüssig fixiert ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülse (11) durch einen Sicherungsring (13) in ihrer Position in der Kugelpfanne (12) gehalten wird, wobei dieser die Kugelhülse (11) durch Befestigungselemente (14) in der Kugelpfanne (12) festspannt.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring (13) ein Fenster (17) aufweist, das in einer Querachse (X) eine kleine lichte Weite (19) und senkrecht zu dieser Querachse (X) eine große lichte Weite aufweist, wobei die kleine lichte Weite (19) des Fensters (17) kleiner als der Durchmesser der Kugel (1) ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes zur Verbindung von Hebelsystemen, insbesondere von Lenkerelementen mit Steuerhebeln in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einer Kugelpfanne vorzugsweise im Lenkerelement und einer dort gelagerten Kugel eines Kugelzapfens mit einem Kugelschaft, über den die Kräfte vom Steuerhebel zum Lenkerelement oder in umgekehrter Richtung verlaufen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung eines Kugelzapfens (2), mit dessen Kugel (1) ein Gummielement (4) über eine Ringnut (3) formschlüssig zu einem ersten Zusammenbau verbunden ist; b) Bereitstellung einer Presseinrichtung mit einem Kalibrierring (6), die einen Einführkegel (7) auf den Durchmesser eines in die Presseinrichtung einzulegenden Rohres (5) aufweist sowie mit einem Presswerkzeug (8), vorzugsweise bestehend aus einem Stempel (9) und einem Ringstempel (10); c) Einlegen des ersten Zusammenbaus, nämlich des Kugelschaftes (20) mit dem Gummielement (4), in die Presseinrichtung und wahlweise Benetzen des Einführkegels (7) mit Gleitmittel; d) Pressvorgang durch Niederfahren des Presswerkzeuges (8) einleiten, wobei der Stempel (9) die Kugel (1) und der Ringstempel (10) das Gummielement (4) gleichzeitig in das Rohr (5) einschiebt, dort positioniert und so einen zweiten vorläufigen Zusammenbau erzeugt; e) Bereitstellung eines Prägewerkzeuges, möglichst in der vorgenannten Presseinrichtung, das ein Oberteil mit dem Negativ der Kugelpfanne (12) und ein Unterteil mit dem Negativ des Sicherungsringes (13) aufweist; f) Einlegen des zweiten vorläufigen Zusammenbaus in das Prägewerkzeug und Zusammenfahren desselben; g) Entnahme des zweiten Zusammenbaus, in welchem sich das Rohr (5) in eine Kugelhülse (11) um den ersten Zusammenbau geformt hat.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Großserienfertigung die Herstellung des ersten Zusammenbaus und die des zweiten Zusammenbaus auf jeweils eigenen Operationsplätzen erfolgt, die in einer Montagestraße verkettet und getaktet sind.