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Die
Erfindung betrifft eine Gelenkanordnung für eine Radführung, insbesondere für eine angetriebene,
lenkbare Achse eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Gelenkanordnungen
der eingangs genannten Art kommen beispielsweise bei sogenannten
aufgelösten
Radträgern
von u.a. McPherson-Achsen, Dämpferbeinachsen
oder Doppelquerlenkerachsen zum Einsatz. Derartige aufgelöste Radträger zeichnen
sich dadurch aus, dass an einem feststehenden, d.h. nicht lenkbeweglichen
Teil des Radträgers
ein schwenkbarer Einsatz, beispielsweise ein Achsschenkel, angeordnet
ist, der die eigentliche Lenkbewegung des Rades ausführt.
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Derartige
aufgelöste
Radträger
bringen insbesondere den Vorteil mit sich, dass die Lenkachse, um
die das Rad bei der Lenkbewegung geschwenkt wird, mit einem geringeren
Spreizungswinkel sowie näher
an der Mittelebene des Rades angeordnet werden kann, sogar ohne
dass dadurch gleichzeitig ein unerwünscht großer und/oder positiver Lenkrollradius
entsteht. Dies verringert störende
Einflüsse
des Antriebs- bzw. Bremsmoments sowie die von Fahrbahnunebenheiten,
Radunwuchten oder Fliehkräften herrührenden
Einflüsse
auf die Lenkung des Fahrzeugs. Zudem lässt sich auf diese Weise die
gesamte Achsgeometrie, insbesondere das Zusammenwirken von Spreizung,
Lenkrollradius, Spurweite und Sturz sowie Nachlauf besser optimieren,
um unter allen Fahrbedingungen und in einem möglichst großen Lenkwinkelbereich optimale
Fahrzeugführung
sowie eine feinfühlige
und reaktionskräftefreie
Lenkbarkeit zu gewährleisten.
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Derartige
aufgelöste
Radträger
sind beispielsweise aus den Druckschriften
US 6,042,294 A1 und
US 6,010,272 A1 bekannt.
Diese bekannten Radträger
umfassen zwei Kugelgelenke, durch die die Lenkachse bzw. Schwenkachse
des Achsschenkels bestimmt ist. Der Achsschenkel kann gemäß der Lehre
dieser Druckschriften somit gegenüber einer am Radträger angeordneten
gabelartigen Gelenkanordnung um die durch die beiden Kugelgelenke
bestimmte Lenkachse geschwenkt werden, wodurch das entsprechende
Rad des Fahrzeugs die Lenkbewegung erfährt.
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Das
durch die beiden Kugelgelenke gebildete Radführungsgelenk muss jedoch notwendigerweise
stets als Fest-/Loslagerkombination ausgeführt werden, um die unvermeidlichen
Herstellungs- und Montagetoleranzen sowie die im Betrieb stets auftretenden
Verformungen der Gelenk- und Achsbauteile aufnehmen zu können. Dies
gilt umso mehr, als derartige Radführungsgelenke insbesondere
bei angetriebenen Achsen im Wesentlichen gabelförmig ausgenommen ausgeführt sein
müssen,
um den notwendigen Durchlass für
die Antriebswelle des Rades zu ermöglichen. Diese offene, gabelförmige Gestaltung bringt
jedoch zusätzliche
Elastizitäten
mit sich, die sich in Verformungen der Gelenkgabel bzw. der jeweiligen
Lagerträger
manifestieren, sobald Fahrbahneinflüsse sowie Antriebs-, Brems-
und Zentrifugalkräfte
auf das Radführungsgelenk
wirken.
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Fest-/Loslagerkombinationen
sind jedoch häufig
problematisch, insbesondere aufgrund der Notwendigkeit gleichzeitiger
Aufnahme von Schiefstellungen und Axialverschiebungen im Bereich
des Loslagers. Zur gleichzeitigen Aufnahme von Schiefstellungen
sowie Axialverschiebungen einer Welle oder Achse ist es gemäß dem Stand
der Technik notwendig, im Bereich des Loslagers zwei unterschiedliche Lagerflächenbereiche
vorzusehen. Dabei ist einer der Lagerflächenbereiche speziell für die Aufnahme
der Schiefstellungen und der andere Lagerflächenbereich speziell für die Aufnahme
der Axialverschiebungen zuständig.
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Im
vorliegenden Fall eines zwei Kugelgelenke umfassenden Radführungsgelenks
bedeutet dies, dass eines der Kugelgelenke zusätzlich mit einer Einrichtung
zur Aufnahme von Axialverschiebungen des Kugelbolzens und der Kugelschale
gegenüber
dem Gelenkgehäuse
versehen werden muss. Diese Einrichtung zur Aufnahme von Axialverschiebungen
bedeutet nichts anderes als die Notwendigkeit einer weiteren, im
Wesentlichen prismatischen Lagerfläche, zusätzlich zu der kugelschaligen
Lagerfläche zwischen
Kugelbolzen und Kugelschale.
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Diese
zusätzlich
erforderliche Lagerfläche bringt
jedoch erheblichen konstruktiven Aufwand mit sich und benötigt selbstverständlich zusätzlichen Bauraum,
der jedoch bei dem in Rede stehenden, zumeist innerhalb der Radfelgen
angeordneten Radführungsgelenk
in äußerst begrenztem
Maße zur Verfügung steht.
Zudem wird durch die zur Aufnahme der Axialverschiebungen zusätzlich notwendige
Lagerfläche
zusätzliches
radiales Lagerspiel in die Gelenkanordnung eingeführt, dem
wiederum durch häufig
aufwändige
konstruktive Maßnahmen
begegnet werden muss
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Mit
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Gelenkanordnung zu schaffen, mit der sich die genannten Nachteile überwinden
lassen. Die Gelenkanordnung soll dabei insbesondere die zur gleichzeitigen
Aufnahme von Axialverschiebungen und Schiefstellungen zwischen den
einzelnen Gelenkbauteilen erforderlichen konstruktiven Maßnahmen
vereinfachen. Ferner soll die Gelenkanordnung möglichst platzsparend, spielfrei und
wartungsarm sowie kostengünstig
ausführbar sein.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gelenkanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Gelenkanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst in an sich zunächst
bekannter Weise eine an einer Fahrzeugachse bzw. an einem Radträger anordenbare Gelenkgabel
sowie einen die Radlagerung aufnehmenden Achsschenkel. Dabei sind
Gelenkgabel und Achsschenkel durch zwei axial fluchtende Lagerstellen
schwenkbar miteinander verbunden, wodurch das entsprechende Rad
des Fahrzeugs die Lenkbewegung erfährt.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich die Gelenkanordnung jedoch dadurch aus, dass zumindest eine der
beiden Lagerstellen, mit denen Gelenkgabel und Achsschenkel schwenkbar
verbunden sind, ein Toroidalrollenlager aufweist.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass insbesondere das Loslager der
Gelenkanordnung durch ein Toroidalrollenlager gebildet wird. Dabei
ist es für das
Wesen der Erfindung nicht bestimmend, welcher Art das Festlager
der Gelenkanordnung ist, solange das Festlager bestimmungsgemäß die gesamten
gelenkaxialen Kräfte
aufnehmen und diese zwischen Achsschenkel und Gelenkgabel übertragen
kann.
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Toroidalrollenlager
haben die im Gebiet der Wälzlager
einzigartige Eigenschaft, sowohl axialen Versatz als auch Winkelfehlstellungen lediglich
durch entsprechende selbsttätige
Relativbewegung von Innenring, Außenring und Wälzkörpern aufnehmen
zu können.
Dabei treten weder die bei üblichen
Loslagerungen bekannten Reibungskräfte bzw. Stick-Slip-Effekte
im Falle von Axialverschiebungen auf, die zu unerwünschten
Vibrationen bzw. Belastungen der Wälzoberflächen führen. Auch sind die genannten Ausgleichsbewegungen
der Lagerbauteile des Toroidalrollenlagers nicht mit ungleichmäßiger Flächenpressung
oder gar mit dem Auftreten von schädlicher Kantenpressung im Bereich
der Wälzkörper verbunden.
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Dabei
besitzt das Toroidalrollenlager aufgrund der stets gleichmäßigen Linienberührung zwischen
den toroidal-konkav ausgebildeten Lagerringen und den balligen Wälzkörpern auch
eine äußerst hohe
Tragfähigkeit.
Zudem ist das Toroidalrollenlager, unabhängig von Winkelfehlstellungen
bzw. unabhängig
vom aufgenommenen Axialversatz aufgrund seiner besonderen Geometrie
stets nahezu spielfrei, was der Laufruhe des Rades und der Feinfühligkeit
und Rückwirkungsfreiheit
der Lenkung entgegen kommt.
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Der
große
Vorteil des erfindungsgemäßen Einsatzes
eines Toroidalrollenlagers als Loslager in einer Gelenkanordnung
für eine
Radführung
liegt darin, dass sämtliche
Winkelfehlstellungen und Axialversätze, die im Bereich des Radführungsgelenks, beispielsweise
aufgrund von Toleranzen sowie aufgrund von kräftebedingten Verformungen,
im Betrieb des Fahrzeugs auftreten, im Bereich einer einzigen Lagerflächenanordnung
aufgenommen werden können.
Die gemäß dem Stand
der Technik bisher stets notwendige zusätzliche prismatische Lagerfläche zur Aufnahme
der Axialverschiebungen im Bereich des Loslagers kann somit ersatzlos
fortfallen.
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Damit
entfällt
jedoch zugleich auch der mit dieser zusätzlichen Lagerfläche verbundene
hohe konstruktive Aufwand. Außerdem
wird erheblicher Bauraum eingespart, wodurch die erfindungsgemäße Gelenkanordnung
auch bei kleineren Fahrzeugen bzw. geringeren Felgeninnendurchmessern
zum Einsatz kommen kann. Nicht zuletzt entfällt damit auch das mit der
bisher notwendigen zusätzlichen
Lagerfläche
verbundene zusätzliche
radiale Lagerspiel, was die Laufruhe, Wartungsfreiheit und Lebensdauer einer
so ausgeführten
Kraftfahrzeugachse wesentlich verbessert.
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Die
Ausführung
der das Festlager bildenden anderen Lagerstelle der Gelenkanordnung
ist gemäß der Erfindung
solange beliebig, als diese andere Lagerstelle die gesamten in gelenkaxialer
Richtung wirkenden Kräfte
zwischen Gelenkgabel und Achsschenkel aufnehmen und übertragen
kann. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist jedoch die das Festlager bildende andere Lagerstelle als
Kugelgelenk ausgeführt.
Da dieses Kugelgelenk als Festlager keinen Axialversatz aufnehmen
muss, kann es platzsparend und robust sowie spielarm und mit hoher
Tragfähigkeit
ausgeführt
werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Toroidalrollenlager in einer topfförmigen Ausnehmung
der Gelenkgabel oder des Achsschenkels angeordnet, wobei die topfförmige Ausnehmung
bevorzugt einen umlaufenden Ringbund im Bereich des Bodens der Ausnehmung aufweist.
Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als das Toroidalrollenlager
so lediglich durch Einpressen in die topfförmige Ausnehmung einen definierten
Sitz erhält,
wobei das Toroidalrollenlager dabei auf der Bodenseite der Ausnehmung
durch deren Boden bereits vollständig
von der Umgebung abgeschlossen ist. Der umlaufende Ringbund sorgt
für einen
definierten axialen Sitz des Toroidalrollenlagers in der topfförmigen Ausnehmung.
Zudem wird auf diese Weise sichergestellt, dass der zur Aufnahme von
Axialversatz notwendige Spielraum für den Innenring des Toroidalrollenlagers
und für
das Ende des Gelenkzapfens des Achsschenkels verbleibt. Ferner kann
dieser Hohlraum als zusätzliches
Reservoir zur Aufnahme von Schmiermittel für das Toroidalrollenlager dienen.
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Um
die Komforteigenschaften sowie die Lebensdauer der Gelenkanordnung
weiter zu verbessern bzw. zu erhöhen,
ist es gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass zwischen dem Außenring des Toroidalrollenlagers und
der im Wesentlichen zylindrischen Wandung der topfförmigen Ausnehmung
zumindest ein elastischer Körper
angeordnet ist. Dieser zumindest eine elastische Körper, der
bevorzugt in Form von einem oder mehreren elastischen Ringen mit
jeweils im Wesentlichen kreisförmigem
Querschnitt vorliegt, führt
zu einer gewissen Schwingungsdämpfung
und Entkopplung zwischen Achsschenkel und Gelenkgabel. Auch dies
kommt dem Fahrkomfort sowie der Geräuschreduzierung der mit der
Gelenkanordnung versehenen Fahrzeugachse mit Vorteil entgegen. Der
elastische Ring bzw. die elastischen Ringe können dabei insbesondere in
Nuten aufnehmbar sein, die umlaufend an der Oberfläche des
Lageraußenrings
und/oder an der Innenoberfläche
der Wandung der topfförmigen Ausnehmung
eingebracht sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Toroidalrollenlager auf der dem Boden der
topfförmigen
Ausnehmung abgewandten Seite mit einer Dichtung abgedeckt. Dabei
schließt
die Dichtung sowohl die Wälzkörper und
Wälzflächen des
Toroidalrollenlagers als auch den Spalt zwischen Lageraußenring
und der topfförmigen
Ausnehmung, sowie auch den Spalt zwischen Lagerinnenring und Lagerzapfen
gegenüber
Umgebungseinflüssen
ab. Dies ist vorteilhaft, da so mit nur einer Dichtung der gesamte
Loslagerbereich vollständig
geschützt
und gekapselt werden kann. Besonders bevorzugt weist die Dichtung
dabei im Bereich ihres Innenumfangs eine erste und eine zweite Kante
bzw. Dichtlippe auf. Dabei stützt
sich die Dichtung mit der ersten Kante bzw. Dichtlippe radial am Lagerzapfen
ab. Mit der zweite Kante bzw. Dichtlippe stützt sich die Dichtung axial
am Bund des Lagerzapfens ab. Dies führt zu einem besonders effektiven und
sicheren Abschluss des Toroidalrollenlagers von jeglichen Umgebungseinflüssen, insbesondere
auch dann, wenn im Betrieb der Gelenkanordnung im Bereich des Toroidalrollenlagers
Axialverschiebungen zwischen Achsschenkel und Gelenkgabel auftreten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellender Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt die einzige
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Fig.
in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gelenkanordnung
in seitlicher, teilweise geschnittener Ansicht.
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In
der Fig. ist eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Gelenkanordnung
mit Blick entlang der Fahrtrichtung eines zugehörigen Kraftfahrzeugs dargestellt.
Man erkennt die lediglich höchst schematisch
angedeutete Anordnung aus einer Gelenkgabel 1 und einem
Achsschenkel 2, wobei die Anordnung weder maßstabsgerecht
noch winkeltreu dargestellt ist. Die Gelenkgabel 1 ist
auf der zeichnungsbezogen linken Seite beispielsweise mit einem nicht
gezeigten Federbein verbunden, während
der Achsschenkel 2 zeichnungsbezogen rechts bei 3 die ebenfalls
nicht dargestellte Lagerung des gelenkten Rades trägt. Gelenkgabel 1 und
Achsschenkel 2 weisen zwei gemeinsame Lagerstellen 4 und 5 auf,
wobei eine der Lagerstellen als Kugelgelenk 4 ausgebildet
und die andere Lagerstelle mit einer Wälzlagerung 5 versehen
ist.
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Dabei
ist die Wälzlagerung 5 als
Toroidalrollenlager ausgebildet, das, wie bereits eingangs beschrieben,
sowohl einen gewissen Winkelversatz zwischen seinen Außenring 6 und
seinem Innenring 7 toleriert als auch Axialverschiebungen
des Innenrings 7 gegenüber
dem Außenring 6 problemlos
und reaktionskräftefrei
aufnehmen kann.
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Das
Kugelgelenk 4 hingegen bildet das Festlager der dargestellten
Fest-/Loslagerkombination und
ist für
die Aufnahme und Übertragung
der in gelenkaxialer Richtung wirkenden Kräfte zwischen Achsschenkel 2 und
Gelenkgabel 1 zuständig.
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Im
Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs treten im Bereich der Räder und
Achsen ganz erhebliche Kräfte
und Biegemomente auf, die unter anderem von der Antriebskraft des
Fahrzeugs herrühren, durch
Fliehkräfte
bei Kurvenfahrt entstehen, vom Bremsmoment bei Bremsmanövern verursacht
werden, oder durch Einwirkungen von Fahrbahnunebenheiten entstehen.
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Diese
Kräfte
und Biegemomente müssen vom
Achsschenkel 2 aufgenommen und auf die Gelenkgabel 1 übertragen
werden. Dabei treten jedoch sowohl im Achsschenkel 2 selbst
als auch in der Gelenkgabel 1 nicht unerhebliche elastische
Verformungen auf. Diese führen
zu Durchbiegungen der Gelenkachse 8, zu Desachsierungen
bzw. Exzentrizitäten
der Achsen der beiden Gelenke 4, 5 sowie zu elastischem
Aufzug der Gelenkgabel 1, wobei insbesondere aus letzterem
eine Vergrößerung des
Abstandes der beiden Gelenke 4, 5 resultiert.
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Hinzu
kommen auch unvermeidliche Bauteiltoleranzen sowie zusätzliche
Toleranzen, die bei der Montage der Gelenkanordnung entstehen. Alle
diese Fehlstellungen, Verformungen und Verschiebungen können problemlos
von dem als Toroidalrollenlager ausgeführten Loslager 5 der
Gelenkanordnung aufgenommen werden, ohne dass dadurch schädliche Reaktionskräfte oder
gar Kantenpressungen entstehen, die die Lagerbauteile zusätzlich belasten
und deren Lebensdauer verringern würden.
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Aus
der Fig. geht außerdem
hervor dass die Ausführung
des Loslagers 5 als Toroidalrollenlager auch besonders
platzsparend erfolgen kann. Insbesondere im Vergleich zu den bisherigen
aufwändigen Kugelgelenken
mit Axialausgleich kann auf diese Weise erheblich Bauraum eingespart
werden. Dies ermöglicht
den Einsatz der erfindungsgemäßen Gelenkanordnung
auch bei kleineren Fahrzeugen bzw. bei kleineren Felgendurchmessern.
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Die
erfindungsgemäß mögliche Verkleinerung
der Abmessungen des Loslagers hängt
insbesondere damit zusammen, dass das Toroidalrollenlager eine äußerst hohe
spezifische Tragfähigkeit
aufweist, und damit verhältnismäßig klein
ausgelegt werden kann. Ferner ergibt sich die Bauraumreduzierung
auch daraus, dass sowohl Winkelfehlstellungen als auch Axialversatz,
im Gegensatz zu den bisher notwendigen speziellen Kugelgelenken,
in ein und derselben Lagerflächenanordnung
des Toroidalrollenlagers aufgenommen werden können.
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Zu
der platzsparenden Bauweise trägt
ferner die Anordnung des Toroidalrollenlagers in einer zylindrisch-topfförmigen Ausnehmung 9 der
Gelenkgabel 1 bei. Diese Anordnung besitzt insbesondere
den Vorteil hoher Steifigkeit und deckt außerdem die zapfenabgewandte,
zeichnungsbezogen untere Seite des Toroidalrollenlagers bereits
komplett ab, so dass auf dieser Seite keine weiteren Dichtungsmaßnahmen
erforderlich sind.
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Aus
der Fig. geht außerdem
hervor, dass zwischen dem Außenring 6 des
Toroidalrollenlagers und der zylindrischen Wandung der topfförmigen Ausnehmung 9 ein
elastisches Element 10, beispielsweise einer oder mehrere
elastische Ringe 10 angeordnet werden kann. Das elastische
Element 10 kann auf diese Weise zusätzlich die Schwingungsentkopplung
zwischen Achsschenkel 2 und Gelenkgabel 1 verbessern
und so eine bessere Abfederung von Kraftspitzen gewährleisten.
Zudem lässt
sich auf diese Weise die Übertragung
von Abrollgeräuschen in
Form von Körperschall über die
Gelenke der Radaufhängung
verringern bzw. dämpfen.
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Schließlich geht
aus der Fig. auch noch die Art und Ausführung der Dichtung 11 hervor,
die den gesamten achsschenkelseitigen Lagerbereich des Loslagers 5 abdeckt.
Die gezeigte Dichtung 11 ist insofern besonders vorteilhaft,
als auf diese Weise mit lediglich einem Dichtungselement 11 sowohl
die Wälzflächen und Wälzkörper des
Toroidalrollenlagers vollständig
geschützt
werden, als auch die tendenziell korrosionsanfälligen Spalte 12, 13 zwischen den
Lagerringen 6, 7 des Toroidalrollenlagers und dem
jeweiligen Presssitz der Lagerringe 6, 7 in der topfförmigen Ausnehmung 9 bzw.
auf dem Lagerzapfen 14 des Achsschenkels 2 komplett
geschützt
sind.
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Die
Dichtung 11 stützt
sich dabei im Bereich des Achsschenkellagerzapfens 14 sowohl
radial bei 12 am Lagerzapfen 14 als auch axial
bei 15 am Bund des Lagerzapfens 14 ab. Dies führt einerseits
zu einer besonders sicheren Dichtwirkung, und gewährleistet
andererseits, dass die Dichtung 11 unter allen Betriebsbedingungen,
insbesondere auch bei Durchbiegungen der Gelenkachse 8 und/oder
Axialverschiebungen zwischen Lagerzapfen 14 und Gelenkgabel 2 sicher
an den jeweiligen Dichtflächen 12, 13, 15 anliegt.
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Im
Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung der Aufbau
von Gelenkanordnungen für
Radaufhängungen,
insbesondere für
lenkbare angetriebene Achsen von Kraftfahrzeugen, wesentlich vereinfacht
und verbessert werden kann. Dabei wird sowohl der konstruktive Aufwand
für derartige
Gelenkanordnungen als auch der erforderliche Bauraum verringert,
wobei die erfindungsgemäße Gelenkanordnung
zudem eine erheblich verbesserte Lebensdauer, verringerten Wartungsbedarf
sowie bessere Komforteigenschaften erwarten lässt. Trotz der durch die Erfindung
ermöglichten
Verbesserungen können
dank der Erfindung gleichzeitig auch Kosteneinsparungen in Konstruktion,
Herstellung und Betrieb von Radaufhängungen und Achssystemen erzielt
werden. Die Erfindung leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur
Verbesserung der Radführung
und Optimierung der Achskinematik, was der Sicherheit, der Kosteneffektivität, der Wartungsarmut und
dem Fahrkomfort von Radaufhängungen
am Kraftfahrzeug zugute kommt.