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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Spurstangenende zur Verwendung
in einem Fahrzeuglenkungssystem und insbesondere ein verbessertes
Kugelgelenk für
ein solches Spurstangenende.
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Kugelgelenke
werden üblicherweise
in Kraftfahrzeuglenkungssystemen und in Kraftfahrzeugaufhängungssystemen
eingesetzt. Spurstangenenden für
Kraftfahrzeuglenkungssysteme weisen typischerweise ein Kugelgelenk
auf. Solche Kugelgelenke stellen eine gelenkige Verbindung zwischen
zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen bereit. Bei einem Fahrzeuglenkungssystem
für ein
Fahrzeug mit Vierradlenkung sind Kugelgelenke üblicherweise dazu vorgesehen,
mit einer Spurstange jeweils eines linken und eines rechten hinteren
Radgelenks verbunden zu werden. Typischerweise umfasst ein Kugelgelenk
für ein
Kraftfahrzeuglenkungssystem einen Kugelbolzen mit einem kugelförmigen Ende
und ein Schalenteil mit einer kugelförmigen Schale. Ein Lagerbauteil
in der Schale nimmt das kugelförmige Ende
auf und hält
es zum Ausführen
einer Dreh- und Schwenkbewegung.
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Bei
Lenkgetrieben für
Fahrzeuge mit einer Vierradlenkung ist es bekannt, eine Feder vorzusehen,
um die Hinterräder
in einen normalen bzw. Geradeaus-Zustand zurückzustellen, wenn das Lenkrad losgelassen
wird oder auch bei einem Defekt des elektrischen Systems des Fahrzeugs.
Jedoch können
solche Lenkgetriebe unerwünscht
sperrig und teuer sein.
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Es
wäre deshalb
wünschenswert,
einen verbesserten konstruktiven Aufbau bereitzustellen, der die
Hinterräder
dann in eine normale bzw. Geradeaus-Stellung zurückstellt, wenn das Lenkrad
losgelassen wird oder ein Defekt in der Fahrzeugelektrik auftritt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt hierzu ein Kugelgelenk mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 bereit. Gemäß einer Ausführungsform
hat das Kugelgelenk ein Gehäuse
mit mindestens einer Öffnung
und einer inneren Kammer und weist ferner einen Kugelbolzen, der
in der Kammer des Gehäuses
angeordnet ist, und eine Außenfläche auf.
Ein federnd nachgiebiges Bauteil ist fest an der Außenfläche des
Kugelbolzens angebracht.
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Weitere
Vorteile der Erfindung sind für
Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung
ersichtlich, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird. In den Figuren zeigt:
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1 eine
teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Spurstangenendes
mit einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäß aufgebauten
Kugelgelenkes,
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2 eine
auseinandergezogene Darstellung des in 1 wiedergegebenen
Kugelgelenks in einem Zustand vor dem Zusammenbau des Kugelgelenks,
und
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3 eine
teilweise im Schnitt wiedergegebene Ansicht einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäß aufgebauten
Kugelgelenks.
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In
den 1 und 2 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete
Spurstangenendbaugruppe wiedergegeben, die eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäß aufgebauten
Kugelgelenks 12 aufweist. Ein die vorliegende Erfindung
beinhaltendes Spurstangenende kann in einer Vielzahl von Anwendungen
eingesetzt werden. Die Spurstangenendbaugruppe 10 stellt
einen Teil eines Fahrzeuglenkungsgestänges (nicht dargestellt) dar,
welches zum Drehen der lenkbaren Hinterräder (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs
benutzt wird.
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Das
Fahrzeuglenkungsgestänge
kann ein Paar von Spurstangenendbaugruppen 10 umfassen, die
mit einer Spurstange (nicht gezeigt) jeweils eines linken und eines
rechten Radgelenks (nicht dargestellt) verbindbar sind. Die linke
und die rechte Spurstangenendbaugruppe 10 ist identisch
aufgebaut und es wird deshalb hier nur eine genauer beschrieben.
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Die
Spurstangenendbaugruppe 10 weist einen Schaft 14 auf,
der aus jedem gewünschten
Material wie z.B. aus Metall hergestellt sein kann. Beispielsweise
kann der Schaft 14 aus Aluminium hergestellt oder aus Stahl
geschmiedet sein. Der Schaft 14 hat eine allgemein zylindrische
Form mit einer inneren Bohrung 16. Ein Teil der Bohrung 16 ist
mit Gewindegängen 16A versehen,
die einen mit einem Außengewinde
versehenen Abschnitt einer Spurstange (nicht gezeigt) aufzunehmen
vermögen.
Alternativ können,
falls gewünscht,
andere Verfahren dazu benutzt werden, den Schaft 14 und
mit der Spurstange zu koppeln.
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Der
Schaft 14 ist durch jegliche gewünschte Methode, z.B. durch
Schweißen
an einem starren Metallgehäuse 18 des
Kugelgelenks 12 befestigt. Das Gehäuse 18 umfasst einen
allgemein zylindrischen Seitenwandabschnitt 20, der eine
erste Öffnung 22 festlegt,
und einen allgemein halbkugeligen Seitenwandabschnitt 24,
der eine zweite Öffnung 26 festlegt.
Das Ende des zylindrischen Seitenwandabschnitts 20 an der
ersten Öffnung 22 weist
einen sich längs
erstreckenden Flanschabschnitt 25 und eine sich radial
einwärts
erstreckende Eingriffsfläche 20A auf.
Der Flanschabschnitt 25 umfasst ein freies Ende 25A,
welches in 2 in einer ersten bzw. nicht
zusammengebauten Stellung und in 1 in einer
zweiten bzw. zusammengebauten Stellung gezeigt ist. In der in 1 wiedergegebenen
zusammengebauten Stellung legt der Flanschabschnitt 25 eine
sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 32 am Gehäuse 18 fest.
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Das
Gehäuse 18 umgrenzt
eine Gehäusekammer 28,
in der eine federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 angeordnet
ist. Das Gehäuse 18 wird
durch ein geeignetes Verfahren aus einem geeigneten Material hergestellt.
Beispielsweise kann das Gehäuse 18 aus
normal geglühtem
Stahl der Güteklasse
SAE 1038 kaltgeformt, gedreht oder gefräst werden. Alternativ kann
das Gehäuse 18 aus
anderen Materialien gebildet werden, beispielsweise etwa aus anderen
Metallen und Nichtmetallen.
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Ein
allgemein ringförmiger
Stopfen oder Deckel 34 ist in die erste Öffnung 22 eingesetzt,
um sie zu verschließen
und dadurch die federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 in
der Gehäusekammer 28 zu
halten. Der Deckel 34 weist vorzugsweise eine allgemein
zylindrische Außenwand 36 zum
Eingriff mit einer Innenfläche 20B des
zylindrischen Seitenwandabschnittes 20 des Gehäuses 18 auf.
Eine Innenfläche 37 des
Deckels 34 ist vorzugsweise von halbkugeliger Gestalt,
um mit einem Teil eines Kugelbauteiles 46 der federnd nachgiebigen
Kugelbolzenanordnung 30 in Eingriff zu treten. Die Außenwand 36 des
Deckels 34 hat einen sich in Umfangsrichtung und nach außen erstreckenden
Flansch 38, der in der Nut 32 in einer unten näher beschriebenen
Weise angeordnet ist. Der Deckel 34 ist vorzugsweise aus
einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt der Güteklasse
SAE 1008 oder 1010 gepresst. Alternativ kann der
Deckel 34 aus anderen Materialien geformt sein, beispielsweise
aus anderen Metallen und Nichtmetallen.
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Die
federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 umfasst einen
Kugelbolzen 40 und ein federnd nachgiebiges Kugelbauteil 46.
Der Kugelbolzen 40 hat einen allgemein zylindrischen Schaft 42 und
einen kugelförmigen
Abschnitt 44 mit einer Außenfläche 44A. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel umfasst
der Schaft 42 einen distalen Endabschnitt 42A mit
hexagonalem Querschnitt und einen mit einem Außengewinde versehenen Abschnitt 42B zur Aufnahme
einer Mutter (nicht gezeigt). Der Schaft 42 erstreckt sich
durch die zweite Öffnung 26 des
Gehäuses 18.
Das federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 bedeckt den kugelförmigen Abschnitt 44 des
Kugelbolzens 40. Der Kugelbolzen 40 ist vorzugsweise umgeformt
oder gefräst
und dann mit Kohlenstoff angereichert. Der Kugelbolzen 40 ist
aus Stahl der Güteklasse
SAE 8115M oder 8615 hergestellt, der von der Firma LTV Steel erhältlich ist.
Alternativ kann der Kugelbolzen 40 aus anderen Materialien
gebildet sein, beispielsweise aus anderen Metallen oder Nichtmetallen.
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Das
federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 ist vorzugsweise fest
an der Außenfläche des
kugelförmigen
Abschnitts 44 angebracht oder damit verklebt. Um dies zu
erreichen, ist das federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 vorzugsweise
unter ausreichend Hitze und Druck um eine Außenfläche des kugelförmigen Abschnitts 44 geformt,
um das Material, z.B. Gummi, des federnd nachgiebigen Kugelbauteils 46 mit
dem kugelförmigen
Abschnitt 44 zu verbinden. Das federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 kann
auf jede geeignete Weise mit dem kugelförmigen Abschnitt 44 verbunden
werden, etwa durch Spritzgießen.
Falls gewünscht
kann vor dem Spritzgießen
ein Klebstoff auf die Außenfläche des
kugelförmigen
Abschnitts 44 aufgebracht werden, um eine chemische Bindung
zwischen dem kugelförmigen
Abschnitt 44 und dem federnd nachgiebigen Kugelbauteil 46 zu erzeugen.
Jeder geeignete Klebstoff kann verwendet werden, beispielsweise
Resorcinalformaldehydlatex (RFL) in einer wässrigen Lösung, der von den Firmen Lord
Chemical oder Dupont erhältlich
ist. Alternativ kann jeder andere geeignete Klebstoff verwendet werden.
Das federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 ist vorzugsweise
aus Neopren oder Naturkautschuk hergestellt. Alternativ kann das
federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 aus anderen Materialien
hergestellt sein, beispielsweise aus anderen Elastomeren und/oder
anderen federnd nachgiebigen Materialien.
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Das
Gehäuse 18 hält die federnd
nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 für eine begrenzte Dreh- und
Schwenkbewegung um ein Oszillationszentrum 47. Im Rahmen
dieser Beschreibung ist das Oszillationszentrum der Schnittpunkt
einer Längsachse 48 und
einer Querachse 50 des Kugelbolzens 40 und fällt zusammen
mit einem Mittelpunkt des kugelförmigen
Abschnitts 44 des Kugelbolzens 40.
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Das
federnd nachgiebige Bauteil 46 erlaubt es der federnd nachgiebigen
Kugelbolzenanordnung 30, um das Oszillationszentrum 37 zu
oszillieren, so dass ein Zentrum C des Schafts 42, das
in 2 gezeigt ist, zu einer Position schwenken kann,
die nicht größer als
eine durch einen Oszillationswinkel A, gezeigt in 1,
festgelegte Position ist. Eine solche Oszillation tritt auf, wenn
eine Kraft auf den Schaft 14 aufgebracht wird, beispielsweise
wenn die Fahrzeugräder
beim Drehen des Fahrzeuglenkrades durch den Fahrer geschwenkt werden.
Das federnd nachgiebige Bauteil 46 erlaubt ferner eine
begrenzte Torsions- oder Rotationsbewegung des Kugelbolzens 40.
Wenn eine solche Oszillation endet, übt das federnd nachgiebige
Bauteil 46 eine Rückstell-
oder Zentrierkraft aus, die bewirkt, dass die federnd nachgiebige
Kugelbolzenanordnung 30 in eine normale oder zentrierte
Stellung zurückkehrt,
wie sie in 1 gezeigt ist. Der Oszillationswinkel
A ist definiert als ein Bewegungswinkel des Schafts 42 gemessen
von der Längsachse 48.
Vorzugsweise hat das federnd nachgiebige Kugelbauteil 46 eine
gewünschte
Härte derart,
dass der Oszillationswinkel A in dem Bereich von ungefähr 0 Grad
bis ungefähr
40 Grad liegt. Noch bevorzugter beträgt der Winkel A ungefähr 20 Grad. Es
versteht sich, dass das federnd nachgiebige Bauteil 46 der
federnd nachgiebigen Kugelbolzenanordnung 30 so konstruiert
werden kann, dass es jede gewünschte
Härte aufweist
und dadurch jede gewünschte
Rückstellkraft
haben kann.
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Zum
Zusammenbauen des in den 1 und 2 gezeigten
ersten Ausführungsbeispiels
des Kugelgelenks 12 wird vorzugsweise zunächst das Gehäuse 18 so
geformt, dass es den allgemein halbkugeligen Seitenwandabschnitt 24 und
den allgemein zylindrischen Seitenwandabschnitt 20 aufweist, wobei
sich das freie Ende 25A des Flanschabschnitts 25 in
der nicht zusammengebauten Stellung befindet, wie sie am besten
aus 2 hervorgeht.
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Die
federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 wird dann bezogen
auf die 2 axial nach oben bewegt, durch
die erste Öffnung 22 in
die Kammer 28, bis der Schaft 42 sich durch die
zweite Öffnung 26 erstreckt
und das Kugelbauteil 46 eine halbkugelige Innenfläche 24A des
halbkugeligen Seitenwandabschnitts 24 voll kontaktiert.
Dann wird der Deckel 34 in die Öffnung 22 eingesetzt,
so dass die zylindrische Außenwand 36 die
Innenfläche 20B des zylindrischen
Seitenwandabschnitts 20 des Gehäuses 18 reibschlüssig berührt und
der Flansch 38 in Eingriff mit der Eingriffsfläche 20A tritt.
Dann wird eine Kraft auf das freie Ende 25A des Flanschabschnitts 25 aufgebracht,
um es aus der in 2 (und strichliert in 1)
gezeigten nicht zusammengebauten Stellung in die zusammengebaute
Stellung zu bringen, die mit durchgezogenen Linien in 1 dargestellt
ist. Eine solche Kraft kann auf jede gewünschte Weise aufgebracht werden,
beispielsweise durch Drehformen oder durch Crimpen.
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Vorzugsweise
wird eine ausreichend hohe Kraft auf das freie Ende 25A des
Flanschabschnitts 25 aufgebracht, so dass der Stopfen bzw.
Deckel 34 dahingehend wirkt, das federnd nachgiebige Bauteil 46 in
der Kammer 28 nach oben zu drücken und zu komprimieren, so
dass eine Außenfläche 46A des
federnd nachgiebigen Bauteils 46 bezüglich der Innenflächen 20B und 24A des
Gehäuses 18 und
einer Innenfläche 37 des
Deckels 34 während
normaler Lenkvorgänge
nicht gleitet oder sich bewegt. Falls gewünscht kann vor dem Einsetzen
der federnd nachgiebigen Kugelbolzenanordnung 30 ein Klebstoff
auf die Innenflächen 20B und 24A des
Gehäuses 18 aufgebracht
werden, um eine chemische Bindung zwischen der Außenfläche 46A des
Kugelbauteils 46 und den Innenflächen 20B und 24A des
Gehäuses 18 und
der Oberfläche 37 des
Deckels 34 herzustellen. Jeder geeignete Klebstoff kann
verwendet werden, beispielsweise Resorcinalformaldehydlatex (RFL)
in einer wässrigen
Lösung.
Alternativ kann jeder andere geeignete Klebstoff verwendet werden.
Falls gewünscht
kann eine Dichtung (nicht dargestellt) in der zweiten Öffnung 26 angeordnet werden,
um diese zu verschließen
und abzudichten. Alternativ können
andere geeignete Verfahren dazu benutzt werden, das Kugelbauteil 46 mit
dem Gehäuse 18 und/oder
dem Deckel 34 zu koppeln, um falls gewünscht eine Relativbewegung
zwischen diesen Teilen zu verhindern.
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In
dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Deckel 34 an dem Gehäuse 18 befestigt oder
mit ihm verbunden durch ein Verfahren wie beispielsweise Drehformen
(screw forming) oder Crimpen. Alternativ kann der Deckel 34 falls
gewünscht
durch jedes andere gewünschte
Verfahren am Gehäuse 18 befestigt
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 und unter Verwendung gleicher
Bezugsziffern zur Bezeichnung entsprechender Teile ist ein allgemein
mit 112 bezeichnetes zweites Ausführungsbeispiel des Kugelgelenks
dargestellt, welches im Wesentlichen mit dem Kugelgelenk 12 identisch
ist, abgesehen davon, dass das Kugelgelenk 112 ein abgewandelt
gestaltetes Gehäuse 118 aufweist.
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Wie
aus 3 hervorgeht, hat das Gehäuse 118 einen Körper 100 mit
einer ein erstes Ende bzw. einen Deckelabschnitt festlegenden Stirnwand 134 und
ein zweites Ende 124. Das zweite Ende 124 umfasst
ein freies Ende 124A, das in 3 mit durchgezogenen
Linien in einer Zusammenbaustellung und gestrichelt in einer nicht
zusammengebauten Stellung wiedergegeben ist. Der Aufbau und die
Funktion der anderen Bauteile des Kugelgelenks 112 sind
ansonsten identisch mit dem Kugelgelenk 12 und werden deshalb
nicht weiter beschrieben.
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Zum
Zusammenbauen des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels
des Kugelgelenks 112 wird vorzugsweise zunächst das
Gehäuse 118 so
geformt, dass es den allgemein zylindrischen Körper 100 einschließlich des
gestrichelt gezeigten freien Endes 124A umfasst. Die federnd
nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 (welche den Kugelbolzen 40 und
das federnd nachgiebige Bauteil 46 enthält) wird dann bezugnehmend
auf 3 axial nach unten bewegt, durch eine erste Öffnung 122 in
eine Gehäusekammer 128,
bis die federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 eine
halbkugelige Innenfläche 134A des
Deckelabschnitts 134 voll kontaktiert. Dann wird auf das
freie Ende 124A des zweiten Endes 124 des Gehäuses 118 eine
Kraft aufgebracht, um das freie Ende 124A aus der gestrichelt
wiedergegebenen nicht zusammengebauten Stellung in die mit durchgehenden
Linien wiedergegebene Zusammenbaustellung zu verformen. Eine solche
Kraft kann auf jede gewünschte
Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Drehformen oder Crimpen.
Wie zuvor in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel mit dem Kugelgelenk 12 beschrieben,
wird eine ausreichend hohe Kraft auf das freie Ende 124A des
zweiten Endes 124 aufgebracht, um das federnd nachgiebige
Bauteil 46 in der Kammer 128 nach unten zu drücken und
zu komprimieren, so dass die Außenfläche 46A des
federnd nachgiebigen Bauteils 46 im normalen Betrieb der
Lenkung bezüglich
einer Innenfläche 118A des
Gehäuses 118 nicht
gleitet oder sich anderweitig bewegt. Falls gewünscht kann vor dem Einführen der
federnd nachgiebigen Kugelbolzenanordnung 30 ein Klebstoff
auf die gesamte Innenfläche 118A des
Gehäuses 118 oder
auf ausgewählte
Bereiche davon aufgebracht werden, um eine chemische Bindung zwischen
der Außenfläche 46A des
Kugelbauteils 46 und der Innenfläche 118A des Gehäuses 118 herzustellen.
Jeder geeignete Klebstoff kann verwendet werden, beispielsweise
Resorcinalformaldehydlatex (RFL) in einer wässrigen Lösung. Alternativ kann jeder
andere geeignete Klebstoff verwendet werden.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die federnd
nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 als ein Vorspannbauteil
bzw. eine Feder zum Ausüben
einer Zentrierkraft auf das Kugelgelenk 12 wirkt. Die Zentrierkraft
bewirkt, dass die lenkbaren Fahrzeughinterräder in eine normale oder Geradeaus-Stellung
zurückkehren.
Die federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 stellt
die lenkbaren Fahrzeughinterräder
in die Geradeaus-Stellung zurück,
wenn eine Kraft, beispielsweise die beim Drehen des Fahrzeuglenkrades
aufgebrachte Kraft, wegfällt
oder auch bei einem Defekt oder Ausfall der Fahrzeugelektrik. Wie
oben beschrieben kann die federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 innerhalb
des Bereichs von ungefähr
0 Grad bis ungefähr
40 Grad frei bis zum Winkel A oszillieren. Die Zentrierkraft, die
durch eine vorbestimmte Härte
des federnd nachgiebigen Bauteils 46 bestimmt ist, bewirkt
dann, dass die federnd nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 in
die in 1 dargestellte Normalstellung zurückkehrt,
wenn das Lenkrad vom Fahrzeugführer
freigegeben wird oder wenn ein Stromausfall im Fahrzeug auftritt.
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Ein
weiterer Vorteil der federnd nachgiebigen Kugelbolzenanordnung 30 besteht
darin, dass ein entsprechendes Hinterradlenkgetriebe ohne eine Rückstell-
oder Zentrierfeder bereitgestellt werden kann, wodurch die Größe und die
Kosten eines solchen Lenkgetriebes verringert werden. Weil die federnd
nachgiebige Kugelbolzenanordnung 30 gemäß der obigen Beschreibung als
Rückstellfeder
fungiert, ist in dem Hinterradlenkgetriebe des Fahrzeugs keine separate
Rückstellfeder
erforderlich.
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In
den bevorzugten Ausführungsbeispielen sind
das Prinzip und die Arbeitsweise der Erfindung beschrieben worden.
Es versteht sich jedoch, dass diese Erfindung auch anders als beschrieben
und dargestellt praktiziert werden kann, ohne den Schutzbereich
der anhängenden
Ansprüche
zu verlassen.