DE102005030747A1

DE102005030747A1 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE102005030747A1
Application number: DE102005030747A
Authority: DE
Inventors: Hans-Gerd Brunneke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: KR101312779B1; US7661902B2; JP2008545104A; CN101213379B; US20080249630A1; WO2007000138A1; DE102005030747B4; CN101213379A; BRPI0612558A2; EP1896738A1; KR20080022136A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk. Sie bezieht sich insbesondere auf die spezielle Ausbildung der Lagerschale eines solchen Kugelgelenks. Zur Gewährleistung einer hohen Standfestigkeit der Lagerschale und damit des Gelenks einerseits und zur Reduzierung des übertragenen Körperschalls unter dem Gesichtspunkt erhöhten Komforts andererseits wird vorgeschlagen, die Lagerschale mindestens zweilagig auszubilden und dabei die innere Lage aus Metall und die äußere Lage aus einem Kunststoff, beispielsweise Polyoximethylen, zu fertigen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk. Sie bezieht sich insbesondere auf die spezielle Ausbildung der Kugelschale beziehungsweise Lagerschale eines solchen Kugelgelenks zur Reduzierung der Schallübertragung.
Kugelgelenke übertragen und nehmen Kräfte aus mehreren Richtungen auf. Im Fahrzeugbau werden sie beispielsweise im Bereich der Lenkung beziehungsweise der Spurstange eingesetzt. Gattungsgemäße Kugelgelenke bestehen aus einem Kugelzapfen, das heißt einem Bolzen mit einer an einem axialen Ende ausgebildeten Kugel, einer die Kugel aufnehmenden Lagerschale und einem die Lagerschale und Teile des Kugelzapfens aufnehmenden Gehäuse. Die Kugel des Kugelzapfens gleitet zwischen der vorgespannten, dauergeschmierten Lagerschale, welche durch das Gehäuse gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung sowie gegen das Austreten des Schmiermittels geschützt ist. In dem genannten Einsatzfall im Kraftfahrzeug sind dabei insbesondere die Innenflächen der die Kugel aufnehmenden Lagerschale hohen Belastungen ausgesetzt. Die Lagerschalen werden daher in der Regel aus Metall gefertigt. Allerdings werden im modernen Fahrzeugbau auch ständig steigende Anforderungen an den Komfort gestellt, welche durch Kugelgelenke mit einer metallischen Lagerschale teilweise nur unzureichend erfüllt werden können. Ein Nachteil besteht dabei darin, dass durch Kugelgelenke mit einer Metallschale Körperschall in einem unerwünschten Maße vom Fahrwerk auf die Fahrgastzelle übertragen oder in die Umgebung abgegeben wird. Im Hinblick auf die Übertragung des Körperschalls weisen Kugelgelenke mit einer Kunststoffschale deutliche Vorteile auf. Auch den Anforderungen hinsichtlich der Belastbarkeit können derartige Gelenke bei Verwendung moderner Kunststoffe in vielen Fällen gerecht werden. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, dass ihre Notlaufeigenschaften deutlich beschränkt sind. Das heißt, im Falle eines Defekts oder Ausfalls der Gehäusedichtung eines entsprechenden Kugelgelenks, in dessen Folge Schmutz in das Gelenk eindringt oder das Schmiermittel aus der eigentlichen Lagerstelle, also aus dem Zwischenraum der aneinander gleitenden Flächen der Kugel des Kugelzapfens und der Lagerschale, austritt, ist innerhalb kurzer Zeit ein Totalausfall des Kugelgelenks zu verzeichnen. Durch die DE 103 29 804 ist ein Kugelgelenk mit einer nichtmetallischen Lagerschale bekannt geworden, bei dem die Lagerschale zweilagig ausgebildet ist. Gemäß der in der Schrift dargestellten Lösung weisen die beiden die Schale ausbildenden Lagen unterschiedliche Elastizitätsmodule auf, wobei die äußere, kugelferne Lage aus einem elastisch federnden Material und die innere, kugelnahe Lage aus einem Material mit verschleißfester Oberfläche besteht. Mit der Ausnahme des Hinweises, dass die Lagerschale aus einem nichtmetallischen Material besteht, werden jedoch keine konkreteren Angaben zu den Materialien der beiden die Lagerschale ausbildenden Lagen gegeben. Aus fertigungstechnischer Sicht wird daher davon auszugehen sein, dass beide Lagen aus einem Kunststoff bestehen, die Kunststoffe jedoch unterschiedliche E-Module und Oberflächenfestigkeiten aufweisen, da derartige Lagen aus unterschiedlichem Kunststoff günstig in einem zweistufigen Spritzprozess erzeugt und miteinander in Verbindung gebracht werden können. Der Forderung nach einer Reduzierung des übertragenen Körperschals wird dabei offensichtlich entsprochen. Auch die Forderungen bezüglich der Verschleißfestigkeit können sicherlich bei Verwendung eines entsprechenden Kunststoffes für die innere Lage für viele Einsatzzwecke erfüllt werden. Allerdings besteht das Problem unzureichender Notlaufeigenschaften wohl auch bei dieser Lösung. Anders als Metall, neigen nämlich Kunststoffe und damit vergleichbare Materialien dazu, dass sich etwaige Verschmutzungen, wie sie beispielsweise bei auftretenden Undichtigkeiten von Kugelgelenken im Bereich der Laufflächen zu verzeichnen sind, in die Materialoberfläche gewissermaßen eingraben. Jedenfalls weisen Metalle insoweit Notlaufeigenschaften auf die von Kunststoffen kaum zu erreichen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kugelgelenk zu schaffen, welches einerseits den steigenden Anforderungen an den Komfort, insbesondere an eine Reduzierung der Körperschallübertragung, gerecht wird und andererseits, neben einer hohen Belastbarkeit im Hinblick auf in das Gelenk eingetragene Kräfte, gute Notlaufeigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben.
Das zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Kugelgelenk besteht, in an sich bekannter Weise, im Wesentlichen aus einem einseitig offenen Gelenkgehäuse, einem Gelenkzapfen mit einer, an einem einen Ende ausgebildeten Gelenkkugel, einer ebenfalls einseitig offenen, sphärischen Lagerschale. Die Gelenkkugel des Gelenkzapfens ist von dem Gelenkgehäuse aufgenommen und die an ihrer Innenfläche dauergeschmierte Lagerschale zwischen der Gelenkkugel und dem Gelenkgehäuse angeordnet, wodurch eine Gleitfläche für die Gelenkkugel gebildet ist. Im Bereich des Übergangs zwischen der Gelenkkugel und dem aus dem Gelenkgehäuse heraus ragenden Schaft des Gelenkzapfens wird das Gelenkgehäuse durch einen Verschlussring verschlossen und durch einen Dichtungsbalg zur Vermeidung des Eindringens von Schmutz und des Austretens des Schmiermittels abgedichtet. Die Lagerschale ist zumindest zweilagig ausgebildet, wobei gemäß der Erfindung die innere Lage der Lagerschale aus Metall und ihre äußere Lage aus einem Kunststoff besteht. Durch diese Ausbildung wird eine hohe Verschleißfestigkeit des Kugelgelenks erreicht, welches darüber hinaus, aufgrund der metallischen Innenfläche seiner Lagerschale gute Notlaufeigenschaften aufweist. Auf der anderen Seite wird durch die äußere Kunststofflage der Lagerschale eine deutliche Reduktion der Körperschallübertragung gegenüber Kugelgelenken mit einer rein metallischen Lagerschale erreicht.
Soweit die Lagerschale des erfindungsgemäßen Kugelgelenks, wie bevorzugt, zweilagig ausgebildet ist, wird die der Schallentkopplung dienende äußere, dämpfende Kunststoffschicht vorzugsweise auf deren metallische Innenlage aufgespritzt. Denkbar ist es jedoch auch, dass die innere metallische Lage und die äußere, aus Kunststoff bestehende Lage durch eine Klebverbindung miteinander verbunden sind.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Lagerschale zweigeteilt ausgebildet. Dabei sind die beiden, jeweils zwei- oder mehrlagigen Teile der Lagerschale über einen als Scharnier wirkenden Steg miteinander verbunden. Durch diese Form der Ausbildung wird die Montage des Kugelgelenks, also das Zusammenfügen seiner Komponenten, vereinfacht. Auch bei einer starken metallischen Überdeckung zwischen Gelenkgehäuse und Gelenkkugel, wie sie wünschenswert und bei dieser Ausbildungsform realisiert ist, lässt sich dabei die Gelenkkugel einfach in die Lagerschale einfügen. Diese wird hierzu quasi aufgeklappt und nach dem Einfügen der Gelenkkugel geschlossen. Aus der erhöhten metallischen Überdeckung resultiert eine höhere Ausreisfestigkeit für die Gelenkzapfen, so dass eine höhere Zugbelastung der Gelenke möglich ist. Vorzugsweise ist die einseitig offene Lagerschale in zwei axialsymmetrische Hälften geteilt. Diese werden gemäß einer praxisgerechten Ausbildungsform durch zwei tiefgezogene, metallische Halbschalen gebildet, die auf ihrem Außenumfang von einer Kunststofflage bedeckt und durch einen Steg miteinander verbunden sind. Dabei schließen die Ränder der innerhalb des Gelenkgehäuses aneinander liegenden Halbschalen an der offenen Seite der Lagerschale eine kreisförmige Öffnung, während die die Lagerschale teilende Symmetrieachse senkrecht durch den Durchmesser dieser kreisförmigen Öffnung verläuft.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks ist parallel zu dem Öffnungsrand der Lagerschale ein auf ihrem Umfang umlaufender Bundsteg angeordnet. Durch diesen Bundsteg, der zwischen dem Verschlussring und dem Gelenkgehäuse verpresst ist, wird die in dem Gelenkgehäuse angeordnete Lagerschale im Gelenkgehäuse fixiert und gegen ein Verdrehen gesichert.
Die innere metallische Lage der Lagerschale weist vorzugsweise auf ihrer der Gelenkkugel zugewandten Oberfläche zumindest eine Nut auf, welche ein Reservoir für ein Schmiermittel ausbildet.
Zur weiteren Erhöhung der Verschleißfestigkeit kann die der Gelenkkugel zugewandte Oberfläche der inneren metallischen Lage der Lagerschale verchromt oder zusätzlich gehärtet sein. Auch eine QP-Behandlung, also ein aufnitrieren der metallischen Innenfläche der Lagerschale führt in vorteilhafter Weise zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit.
Als Kunststoffe für die Außenlage der Lagerschale des in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten Kugelgelenks kommen beispielsweise Polyoximethylen (POM) oder Polyamid (PA) oder Polyetheretherketon (PEEK) in Betracht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: Ein erfindungsgemäß gestaltetes Kugelgelenk in einem axialen Halbschnitt
2: Eine isometrische Darstellung der Lagerschale des Kugelgelenks nach 1.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausbildungsform eines in erfindungsgemäßer Weise gestalteten Kugelgelenks in einem Halbschnitt. Das Kugelgelenk besteht im Wesentlichen aus dem Gelenkzapfen 4, 5, der Lagerschale 1, 1', dem Gelenkgehäuse 6 und einem Dichtungsbalg 7. Die Gelenkkugel 4 des Gelenkzapfens 4, 5 ist von dem einseitig offenen Gelenkgehäuse 6 aufgenommen. Zwischen dem Gelenkgehäuse 6 und der Gelenkkugel 4 ist die ebenfalls einseitig offene, dauergeschmierte sowie sphärisch geformte Lagerschale 1, 1' angeordnet, deren Innenfläche die Gleitfläche für die Gelenkkugel des Gelenkzapfens ausbildet. Die Lagerschale 1, 1' ist zweilagig ausgeführt. Entsprechend der Erfindung besteht dabei die innere Lage 2 aus Metall, während die äußere Lage 3 aus einem Kunststoff besteht.
Durch die metallische innere Lage 2 der Lagerschale 1, 1' ist eine hohe Standfestigkeit des Kugelgelenks gewährleistet. Gegenüber Kugelgelenken, deren Lagerschale ausschließlich aus nichtmetallischen Werkstoffen, das heißt in der Regel Kunststoff, bestehen, besitzt das in erfindungsgemäßer Weise gestaltete Kugelgelenk durch die metallische Innenfläche seiner Lagerschale 1, 1' zudem verbesserte Notlaufeigenschaften. Eventuell auftretende Undichtigkeiten des Dichtungsbalgs, in deren Folge Schmutz in das Gelenk eindringt oder das Schmiermittel aus dessen Lagerstelle austritt, führen dadurch, anders als bei Kugelgelenken mit einer Kunststofflagerschale, nicht zu einer schnellen Zerstörung des Kugelgelenks. Die Gefahr eines Eingrabens von Schmutzteilchen in die Lauffläche der Lagerschale 1, 1' ist gegenüber Lagerschalen aus Kunststoff herabgesetzt.
Bei der in der 1 gezeigten Ausbildungsform ist die Lagerschale 1, 1' zweigeteilt ausgebildet. Sie besteht aus zwei axialsymmetrischen Hälften, welche über einen als Scharnier wirkenden Verbindungssteg 8 miteinander verbunden sind. Hierdurch wird die Montage des Kugelgelenks vereinfacht. Im unteren Bereich der Lagerschale 1, 1' ist außerdem ein auf ihrem Umfang umlaufender Bundsteg 11 ausgebildet, der zwischen dem Verschlussring 13 und dem Gelenkgehäuse 6 verpresst ist. Durch den, parallel zum Öffnungsrand 9, 9' der Lagerschale angeordneten Bundsteg 11 wird die Lagerschale 1, 1' bei der Montage in dem Gelenkgehäuse 6 fixiert und somit beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Kugelgelenks gegen ein unerwünschtes Verdrehen gesichert.
Die Oberfläche der inneren metallischen Lage 2 der Lagerschale 1, 1' ist zur weiteren Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit beispielsweise gehärtet oder QP-behandelt, das heißt aufnitriert. Ihre äußere Lage 3 besteht beispielsweise aus POM (Polyoxymethylen). Durch die Elastizität dieses Materials werden die vom Gelenkzapfen 4, 5 über die Lagerschale 1, 1' auf das Gelenkgehäuse 6 übertragenen Schwingungen, insbesondere der Körperschall, in vorteilhafter Weise gedämpft. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Lagerschale 1, 1' vereinigt das Kugelgelenk somit in hervorragender Weise die Erfüllung der Anforderungen an seine Belastbarkeit mit der Umsetzung der bezüglich des Komforts bestehenden Forderungen. Die äußere, aus Kunststoff bestehende Lage 3 der Lagerschale 1, 1' ist auf die innere metallische Lage 2 vorzugsweise aufgespritzt. Erste Versuche haben jedoch gezeigt, dass es auch möglich sein könnte, die äußere Lage 3 mit der inneren zu verkleben.
Die 2 zeigt die in erfindungsgemäßer Weise ausgebildete Lagerschale 1, 1' in einer zweiteiligen Ausbildung nochmals in einer isometrischen Darstellung. Beide Halbschalen sind, wie zu erkennen, zweilagig ausgebildet und über den Steg 8, welcher als Scharnier wirkt, miteinander verbunden. In der Darstellung ist weiterhin der schon angesprochene auf dem Umfang der Lagerschale umlaufende Bundsteg 11 zu erkennen. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass in die metallische Innenfläche der Lagerschale 1, 1' eine Nut 12 eingearbeitet ist. Durch diese Nut 12 ist ein Fettreservat zur dauerhaften Schmierung des Gelenks ausgebildet.

1, 1': Lagerschale
2, 2': innere (metallische) Lage
3, 3': äußere Lage (aus Kunststoff)
4, 5: Gelenkzapfen
: 4 Gelenkkugel
: 5 Schaft des Gelenkzapfens
6: Gelenkgehäuse
7: Dichtungsbalg
8: Steg, Verbindungssteg
9, 9': Rand, Öffnungsrand
10: Öffnung
11: Bundsteg
12: Nut, Schmiermittelreservoir
13: Verschlussring

Claims

Kugelgelenk, bestehend aus einem einseitig offenen Gelenkgehäuse (6), einem Gelenkzapfen (4, 5), dessen an seinem einen Ende ausgebildete Gelenkkugel (4) von dem Gelenkgehäuse (6) aufgenommen ist, einer zwischen dem Gelenkgehäuse (6) und der Gelenkkugel (4) angeordneten, ebenfalls einseitig offenen und im Wesentlichen sphärischen Lagerschale (1, 1') mit einer dauergeschmierten Innenwand sowie einem Verschlussring (13) und einem Dichtungsbalg (7), welche die offene Seite des Gelenkgehäuses (6), im Bereich des Übergangs zwischen der Gelenkkugel (4) und dem aus dem Gelenkgehäuse heraus ragenden Schaft (5) des Gelenkzapfens (4, 5) verschließen und abdichten, wobei die Lagerschale (1, 1') zumindest zweilagig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Lage (2, 2') der Lagerschale (1, 1') aus Metall und ihre äußere Lage (3, 3') aus einem Kunststoff besteht.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (1, 1') zweilagig ausgebildet ist, wobei die innere metallische Lage (2, 2') und die äußere, aus Kunststoff bestehende Lage (3, 3') durch eine Klebverbindung miteinander verbunden sind
Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (1, 1') zweigeteilt ausgebildet ist, wobei die beiden, jeweils zwei- oder mehrlagigen Teile der Lagerschale (1, 1') über einen als Scharnier wirkenden Steg (8) miteinander verbunden sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einseitig offene Lagerschale (1, 1') in zwei axialsymmetrische Hälften geteilt ist, welche durch zwei tiefgezogene, metallische Halbschalen gebildet sind, die auf ihrem Außenumfang von einer Kunststofflage bedeckt und durch einen Steg (8) miteinander verbunden sind, wobei die Ränder (9, 9') der innerhalb des Gelenkgehäuses (6) aneinander liegenden Halbschalen an der offenen Seite der Lagerschale (1, 1') eine kreisförmige Öffnung (10) einschließen und die die Lagerschale (1, 1') teilende Symmetrieachse (y) senkrecht durch den Durchmesser dieser kreisförmigen Öffnung (10) verläuft.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Öffnungsrand (9, 9') der Lagerschale (1, 1'), ein auf ihrem Umfang umlaufender Bundsteg (11) angeordnet ist, durch den eine Fixierung und Verdrehsicherung für die in dem Gelenkgehäuse (6) angeordnete Lagerschale (1, 1') ausgebildet ist, wobei der Bundsteg (11) zwischen dem Verschlussring (13) und dem Gelenkgehäuse (6) verpresst ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere metallische Lage (2, 2') der Lagerschale (1, 1') auf ihrer der Gelenkkugel zugewandten Oberfläche zumindest eine Nut (12) aufweist, welche ein Reservoir für ein Schmiermittel ausbildet.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gelenkkugel (4) zugewandte Oberfläche der inneren metallischen Lage (2, 2') der Lagerschale (1, 1') zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit verchromt ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gelenkkugel (4) zugewandte Oberfläche der inneren metallischen Lage (2, 2') der Lagerschale (1, 1') zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit gehärtet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gelenkkugel (4) zugewandte Oberfläche der inneren metallischen Lage (2, 2') der Lagerschale (1, 1') zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit aufnitriert ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (3, 3') der Lagerschale (1, 1') aus Polyoximethylen besteht.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (3, 3') der Lagerschale (1, 1') aus Polyamid besteht.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (3, 3') der Lagerschale (1, 1') aus Polyetheretherketon besteht.