DE102005005667A1

DE102005005667A1 - Kugelgelenk und eine Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005005667A1
Application number: DE200510005667
Authority: DE
Inventors: Richard Lloyd
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2006-08-17
Also published as: WO2006084558A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk (1) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Kugelgelenk aus einer Gelenkkugel (2), einem von dieser abragenden Gelenkzapfen (3), einem Gelenkgehäuse (4), das seinerseits einen Gehäusetopf (5), in den die Gelenkkugel (2) aufgenommen ist, und einen Verschlussring (6) beinhaltet, der die Gelenkkugel (2) im Inneren (21) des Gelenkgehäuses (4) fixiert, besteht und sphärische voneinander getrennte Lagerflächen (11) und (17), auf denen die Gelenkkugel (2) verdreh- und auslenkbar gelagert ist, aufweist. Um eine Minimierung der Toleranzschwankungen der im Gelenk (1) erzeugten Reibmomente zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest eine Lagerfläche (11, 17) durch einen sphärisch ausgebildeten Abschnitt der Gehäuseinnenseite gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

Ein gattungsgemäßes Kugelgelenk bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 44 19 954 C2 bekannt. Das dort beschriebene Kugelgelenk beinhaltet eine Gelenkkugel, die mit einem radial von ihr abragenden Gelenkzapfen einstückig verbunden ist. Das Kugelgelenk enthält des Weiteren ein Gelenkgehäuse, das aus einem Gehäusetopf und einem Verschlussring besteht. In dem Gehäusetopf ist die Gelenkkugel aufgenommen, wobei sie auf den in den Gehäusetopf eingesetzten mit sphärischen Lagerflächen versehenen Lagerschalen verdreh- und auslenkbar gelagert ist. Der Verschlussring wird nach dem Einbringen der Lagerschalen und der Gelenkkugel in den Gehäusetopf auf den Öffnungsrand des Gehäusetopfes aufgesetzt und an diesem durch Umbördeln des Topfrandes befestigt. Hierdurch wird durch den Verschlussring auf eine obere Lagerschale eine Anpresskraft ausgeübt, die für eine Spielfreiheit zwischen den Lagerschalen und der Gelenkkugel sorgt. Auf Grund der Vielzahl der genannten Bauteile des Zusammenbaus des Kugelgelenks, die jeweils fertigungstoleranzbehaftet sind, ergibt sich für den gesamten Zusammenbau ein relativ großer Toleranzbereich, der bei der Herstellung von mehreren Kugelgelenken zu einer erheblichen Schwankung der im Kugelgelenk erzeugten Reibmomente zwischen den einzelnen Kugelgelenken führt. Hierdurch kommt es zu größeren Qualitätsunterschieden bei der Herstellung von Kugelgelenken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein gattungsgemäßes Kugelgelenk dahingehend weiterzubilden, dass eine Minimierung der Toleranzschwankungen der im Gelenk erzeugten Reibmomente erreicht wird. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kugelgelenks angegeben werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 hinsichtlich des Kugelgelenks und durch die Merkmale des Patentanspruches 6 hinsichtlich des Verfahrens gelöst.

In Folge dessen, dass erfindungsgemäß eine Lagerfläche durch einen sphärisch ausgebildeten Abschnitt der Gehäuseinnenseite gebildet ist, entfällt zumindest eine Lagerschale, so dass durch die dabei zu Stande kommende Reduzierung der Bauteilvielfalt auch die Fertigungstoleranzen des Kugelgelenkzusammenbaus verringert wird. Dies führt dazu, dass die fertigungstoleranzbedingten Schwankungen der im Kugelgelenk erzeugten Reibmomente abnehmen, was die Qualität des Kugelgelenks in Funktion und Haltbarkeit erheblich erhöht. In gleicher Weise ist die Lebensdauer des Kugelgelenks besser bestimmbar, wodurch die Kugelgelenke in einfacher Weise nach einer bestimmten Betriebsdauer ohne nähere Untersuchung ausgewechselt oder ausgebessert werden können. Neben der Vergleichmäßigung der Reibmomente der Kugelgelenke ist noch von Vorteil, dass die Montage des Kugelgelenks vereinfacht wird, da der Aufwand für den Handhabungs- und Befestigungsvorgang der Kugelschalen entfällt. Die Herstellung kann in einfacher Weise beispielsweise so erfolgen, dass die zumindest eine sphärische Lagerfläche bereits bei der Herstellung des Gehäusetopfes entsteht. Dieser kann zum Beispiel in einem Spritzguss-, Druckguss- oder Kokillengussverfahren ausgebildet werden. Die Lagerflächen sind dabei entsprechend der hohen erreichbaren Qualität der Gegenform des Gießverfahrens in gewünschter Weise hochexakt ausbildbar. Alternativ ist es auch denkbar, einen bereits hergestellten lagerflächenlosen Gehäusetopf an dem entsprechenden Abschnitt der Gehäuseinnenseite mechanisch, vorzugsweise durch CNC-Drehen, zu bearbeiten. Hierdurch wird das Herstellungsverfahren des Gehäusetopfs vereinfacht, da keine komplizierten Gegenformen im Gießverfahren notwendig sind.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks nach Anspruch 2 und entsprechend des Herstellungsverfahrens nach Anspruch 7 trägt der Verschlussring an seiner der Gelenkkugel zugewandten Seite eine Lagerfläche, die rotationssymmetrisch zur Längsachse des Gelenkzapfens ausgebildet ist. Durch die Integrierung der Lagerfläche, die sonst von der oberen Lagerschale gebildet wird, in den Verschlussring wird die Herstellung des Kugelgelenks vereinfacht, da die Gelenkkugel bei der Montage ungehindert in den Gehäusetopf eintauchen kann, wonach der Verschlussring am Gehäusetopf platziert und befestigt wird. Bei der Befestigung am Gehäusetopf wird der Verschlussring an die Gelenkkugel gepresst, wodurch seine Lagerfläche an der Gelenkkugel spielfrei anliegt. Da der Verschlussring einen Teil des Gelenkgehäuses darstellt, bildet seine der Gelenkkugel zugewandte Seite nach dem Zusammenbau einen Teil der Gehäuseinnenseite. Auf Grund der rotationssymmetrischen Ausbildung der Lagerfläche wird diese an die Gelenkkugel gleichmäßig um die Längsachse des Gelenkzapfens angepresst, wodurch umfänglich gleiche Reibwerte erzielt werden. Die Herstellung der Lagerfläche am Verschlussring ist relativ einfach, da es sich bei dem Verschlussring um ein relativ flaches Bauteil handelt, was die Zugänglichkeit für eine mechanische Bearbeitung zur Herstellung der Lagerfläche erleichtert.

In einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 bezüglich des Kugelgelenks und entsprechend hinsichtlich des Herstellungsverfahrens nach Anspruch 8 trägt der Gehäuseboden eine Lagerfläche, die rotationssymmetrisch zur Längsachse des Gelenkzapfens ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft, dass die untere Lagerschale bekannter Kugelgelenke in einfacher Weise ersetzt wird. Auch hier ist die rotationssymmetrische Ausbildung der Lagerfläche dazu da, über den Umfang hinweg gleichmäßige Reibwerte zu erzielen.

In Verbindung der sphärischen Ausbildung des Gehäusebodens als Abschnitt der Gehäuseinnenseite mit der Ausbildung der sphärischen Lagerfläche am Verschlussring entfallen für das Kugelgelenk sämtliche Lagerschalen, wodurch die Bauteilvielfalt des Kugelgelenkzusammenbaus noch weiter verringert wird und somit gleichzeitig die Vergleichmäßigung der im Kugelgelenk erzeugten Reibmomente weiter verbessert wird. Da sämtliche Lagerschalen entfallen, wird die Montage auch dementsprechend erleichtert und die Herstellung des Kugelgelenks vereinfacht.

In einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks nach Anspruch 4 und entsprechend seines Herstellungsverfahrens nach Anspruch 9 ist die Lagerfläche durch eine Schicht aus einem reibungsarmen Material gebildet, die auf der Gehäusewandung aufgetragen ist. Durch die Ausbildung der sphärischen Lagerfläche mittels einer aufgetragenen Schicht, was beispielsweise mittels rapid prototyping erfolgen kann, wird das Gelenkgehäuse funktionell entkoppelt, wobei der Gehäusetopf aus einem billigeren Material hergestellt werden kann, da er die hohen Ansprüche an die Lagerfläche hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften nicht mehr erfüllen muss. Der Gehäusetopf muss dabei lediglich Stabilitäts- und Steifigkeitsanforderungen genügen. Die Schicht jedoch kann allein auf Reibungsarmheit ausgelegt werden. Weiterhin können bei der Herstellung des Gehäusetopfes größere Toleranzen zugelassen werden, was die Herstellung vereinfacht und preiswerter macht, da die aufgetragene Schicht die Toleranzen ausgleichen kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 erfolgt die Beschichtung durch Einspritzen von Kunststoff, wonach die sich bildende Oberfläche mechanisch zu einer sphärischen Lagerfläche bearbeitet wird. Anstelle von Kunststoff können auch andere ähnliche tragende Stoffe eingesetzt werden. Diese Verfahrensweise erleichtert die Herstellung der Lagerflächen, da bei der Ausbildung der Schicht keine Konturen ausgeformt werden müssen, wodurch auf aufwendige Beschichtungstechniken und Steuerungen verzichtet werden kann. Die endgültige Ausbildung der Lagerfläche wird durch einen separaten Arbeitsgang bewerkstelligt, der sich an die lokale Beschichtung der Gehäusewandung unmittelbar anschließt. Die mechanische Bearbeitung kann dabei spanend erfolgen, es sind jedoch auch Walz- oder Drücktechniken denkbar, die nicht-spanend die gewünschte sphärische Kontur der Lagerfläche gestalten.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 weist die Gehäusewandung im Bereich der Lagerfläche eine Aussparung auf. Die Ausbildung einer Aussparung in der Gehäusewandung ist nur in Verbindung mit der Herstellung der Lagerfläche durch Beschichtung zu sehen, wobei in vorteilhafter Weise beim Beschichten die Aussparung ausgefüllt wird, so dass die sich ergebende Schicht einen unlösbaren formschlüssigen Halt an dem Gehäusetopf findet.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die Figur in einer Explosionsschnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk mit durch eine Beschichtung ausgebildeten Lagerflächen.
In der Figur ist ein Kugelgelenk 1 dargestellt, das eine Gelenkkugel 2 und einen Gelenkzapfen 3 beinhaltet, der von der Gelenkkugel 2 radial abragt. Das Kugelgelenk 1 enthält des Weiteren ein Gelenkgehäuse 4, das sich seinerseits aus einem Gehäusetopf 5 und einem Verschlussring 6 zusammensetzt. Der Verschlussring 6, dessen Öffnung 7 so groß ist, dass der Gelenkzapfen 3 diese gänzlich durchragen kann, ist durch ein Flachteil 8 und einen an dessen Unterseite 9 abragenden, stutzenförmigen Fortsatz 10 gebildet. Das Flachteil 8 und der Fortsatz 10 bilden beide gemeinsam die zentrische Öffnung 7 des Verschlussrings 6 aus. Der Fortsatz 10 weist innenseitig einen Abschnitt 11 der Gehäuseinnenseite auf, welcher sphärisch ausgebildet ist und als obere Lagerfläche für die Gelenkkugel 2 dient. Die Lagerfläche, die von der der Gelenkkugel 2 zugewandten Seite 12 des Fortsatzes 10 getragen wird, ist rotationssymmetrisch zur Längsachse 13 des Gelenkzapfens 3 ausgebildet. Die Lagerfläche ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Schicht 14 aus einem reibungsarmen Material gebildet, die auf der Gehäusewandung 15, deren Teil der Fortsatz 10 ist, aufgetragen ist.
Einen weiteren Abschnitt der Gehäuseinnenseite bildet der Gehäuseboden 16, der dem Boden des Gehäusetopfes 5 entspricht. Der Gehäuseboden 16 trägt eine untere Lagerfläche 17 für die Gelenkkugel 2, wobei die Lagerfläche 17 ebenfalls wie der Abschnitt 11 rotationssymmetrisch zur Längsachse 13 des Gelenkzapfens 3 ausgebildet ist. Die untere Lagerfläche 17 ist gleichfalls sphärisch konturiert und wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Schicht 18 gebildet, die reibungsarm ist und die auf den Wandungen des Gehäusetopfes 5, die Teil der Gehäusewandung 15 sind, aufgetragen ist. Im Bereich der unteren Lagerfläche 17 weist die Gehäusewandung 15 an den aufragenden Wandungen des Gehäusetopfes 5 eine umlaufende Aussparung 19 auf, in die ein ebenfalls umlaufender Wulst 20 der Schicht 18 formschlüssig eingreift und diese gänzlich ausfüllt.
Zur Herstellung des Kugelgelenks 1 erfolgt zuerst die Beschichtung des Fortsatzes 10 des Verschlussrings 6 sowie der Gehäusewandung 15 bezüglich des Gehäusetopfes 5, insbesondere des Gehäusebodens 16, indem in einfacher Weise Kunststoff eingespritzt wird. Die sich dabei ausbildenden Schichten 14 und 18 werden anschließend mechanisch und zwar zerspanend bearbeitet, wodurch aus der anfänglich ungleichmäßigen bis ebenen Oberfläche der Schichten 14 und 18 die sphärischen Lagerflächen 11 und 17 ausgebildet werden.
Nun wird die Gelenkkugel 2 in das Innere 21 des Gehäusetopfes 5 eingeführt, so dass der Gelenkzapfen 3 aus diesem herausragt. Alsdann wird der Verschlussring 6 über den Gelenkzapfen 3 geschoben, der damit durch die Öffnung 7 des Verschlussrings 6 hindurchragt, und mit dem Flachteil 8 auf den Gehäusetopf 5 aufgesetzt. Hierzu weist der Rand 22 des Gehäusetopfes 5 innenseitig eine umlaufende Nut 23 auf, in die das Flachteil 8 eingelassen wird. Schließlich wird der Verschlussring 6 am Gehäusetopf 5 befestigt, indem dessen Rand 22 nach innen umgebördelt wird, wodurch die obere Lagerfläche 11 an die Gelenkkugel 12 unter Erzielung einer Spielfreiheit leicht angepresst wird. Die Gelenkkugel 2, die zu diesem Zeitpunkt bereits auf der unteren Lagerfläche 17 liegt, ist nun im Inneren 21 des Gehäusetopfes 5 des Gelenkgehäuses 4 fixiert, wobei sie auf den sphärischen, voneinander getrennten Lagerflächen 11 und 17 verdreh- und auslenkbar gelagert ist.
Zur weiteren verbesserten Haltbarkeit der Anbindung der Schichten 14 und 18 am Verschlussring 6 bzw. am Gehäusetopf 5 ist denkbar, diese vor der Beschichtung aufzurauen oder mit einem Haftvermittler zu versehen.
Alternativ zur Befestigung des Verschlussrings 6 am Gehäusetopf 5 durch Umbördeln des Topfrandes 22 kann der Verschlussring 6 auch in den Gehäusetopf 5 eingeschraubt sein. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Gehäusetopf 5 und/oder der Verschlussring 6 beim Auftreten eines unzulässigen Verschleißes an der Lagerfläche nach längerer Betriebsdauer nicht ausgetauscht werden braucht. Die Schraubverbindung wird dazu einfach gelöst, wonach zur Ausbesserung des verschleißbedingten Schadens der Lagerflächen diese in einfacher Weise ressourcenschonend derart neu beschichtet werden können, dass sie die ursprüngliche ungebrauchte und nicht-verschlissene Form annehmen.

Claims

Kugelgelenk, mit einer Gelenkkugel, einem von dieser abragenden Gelenkzapfen, einem Gelenkgehäuse, das einen Gehäusetopf, in dem die Gelenkkugel aufgenommen ist, und einen Verschlussring beinhaltet, der die Gelenkkugel im Inneren des Gelenkgehäuses fixiert, und mit sphärischen voneinander getrennten Lagerflächen, auf denen die Gelenkkugel verdreh- und auslenkbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lagerfläche (11, 17) durch einen sphärisch ausgebildeten Abschnitt der Gehäuseinnenseite gebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussring (6) an seiner der Gelenkkugel (2) zugewandten Seite (12) eine Lagerfläche (11) trägt, die rotationssymmetrisch zur Längsachse (13) des Gelenkzapfens (3) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (16) eine Lagerfläche (17) trägt, die rotationssymmetrisch zur Längsachse (13) des Gelenkzapfens (3) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (11, 17) durch eine Schicht (14, 18) aus einem reibungsarmen Material gebildet ist, die auf der Gehäusewandung (15) aufgetragen ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (15) im Bereich der Lagerfläche (11,17) eine Aussparung (19) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes, wobei eine mit einem abragenden Gelenkzapfen versehene Gelenkkugel in einen Gehäusetopf eines Gelenkgehäuses eingebracht wird, so dass der Gelenkzapfen aus dem Gehäusetopf herausragt, wonach zur Fixierung der Gelenkkugel im Inneren des Gelenkgehäuses ein Verschlussring des Gehäuses auf den Gehäusetopf aufgesetzt und an diesem befestigt wird, und wobei voneinander getrennt sphärische Lagerflächen im Gelenkgehäuse zur verdreh- und auslenkbaren Lagerung der Gelenkkugel angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der Gehäuseinnenseite als Lagerfläche (11, 17) sphärisch ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschnitt der Gehäuseinnenseite die der Gelenkkugel (2) zugewandte Seite (12) des Verschlussringes (6) sphärisch und rotationssymmetrisch zur Längsachse (13) des Gelenkzapfens (3) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschnitt der Gehäuseinnenseite der Gehäuseboden (16) sphärisch und rotationssymmetrisch zur Längsachse (13) des Gelenkzapfens (3) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (15) zur Ausbildung der sphärischen Lagerfläche (11, 17) lokal mit einem reibungsarmen Material beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Einspritzen von Kunststoff erfolgt, wonach die sich bildende Oberfläche mechanisch zu einer sphärischen Lagerfläche (11, 17) bearbeitet wird