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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse, einem Gelenkzapfen, einer
Lagerschale und einem Deckel, der die Lagerschale im Gehäuse verspannt.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Kugelgelenks, bei dem der Deckel mit dem Gehäuse des
Kugelgelenks elektrisch, also durch Widerstandsschweißen, verschweißt wird.
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In
der Kraftfahrzeugtechnik zeichnen sich moderne Kugelgelenke durch
ein definiertes Reibmoment bei gleichzeitig hoher Gelenksteifigkeit
aus. Diese Anforderung wird beispielsweise durch das Aufbringen
einer Vorspannkraft auf einen Kugelkopf des Gelenkzapfens in Längsrichtung
des Gelenkzapfens erreicht.
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In
der Vergangenheit wurden zum Aufbringen der Vorspannkraft bevorzugt
Schraubenfedern eingesetzt. So zeigt die
DE 879 631 ein Kugelgelenk, bei dem
ein Gelenkzapfen in einem Gehäuse
gelagert ist. Das Gehäuse
ist mit einem Deckel verschlossen, wobei zwischen dem Deckel und
einem Kugelkopf des Gelenkzapfens eine Schraubenfeder angeordnet
ist. Die Verbindung zwischen dem Deckel und dem Gehäuse erfolgt
in der
DE 879 631 beispielsweise
durch elektrische Widerstandsschweißung.
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Heutzutage
weisen Kugelgelenke oftmals eine Lagerschale zwischen dem Kugelkopf
des Gelenkzapfens und dem Gehäuse
bzw. dem Deckel auf. Die Lagerschale ist dabei geringfügig kompressibel, und
der Deckel selbst ist vorgespannt am Gehäuse angebracht, so daß auf eine
Feder verzichtet werden kann. Die
DE
197 56 984 offenbart ein Beispiel für ein solches Kugelgelenk und
beschreibt ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dabei nimmt das
Gehäuse
zunächst
die Lagerschale und einen Kugelkopf des Gelenkzapfens auf. Anschließend wird
das Gehäuse durch
einen Deckel verschlossen, der mit einer gewünschten Vorspannkraft gegen
die Lagerschale bzw. den Gelenkzapfen gedrückt wird. In einem letzten
Schritt wird der Deckel in seiner vorgespannten Position durch Schweißen, insbesondere
Laserschweißen,
am Gehäuse
befestigt. Der Deckel ist dann vorgespannt am Gehäuse angebracht,
so daß die
aufgebrachte Vorspannkraft entfernt werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung eines alternativen, einfacheren
Verfahrens zur Herstellung eines vorgespannten Kugelgelenks.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung eines Kugelgelenks
vorgeschlagen, bei dem der Deckel oder das Gehäuse mindestens einen Abstandshalter
aufweisen, der den Deckel vor dem Verschweißen in einem übergroßen Abstand
vom Gehäuse
hält, wobei
der dann beim Verschweißen
fließende
Strom in einer solchen Weise gesteuert oder geregelt wird, daß der mindestens
eine Abstandshalter um einen vorbestimmten Betrag abschmilzt, so
daß der
Deckel vorgespannt am Gehäuse
angebracht ist. Dies bietet den Vorteil, daß der Deckel und das Gehäuse in einem
einzigen Verfahrensschritt verbunden und gleichzeitig gegeneinander
vorgespannt werden.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich eine Verfahrensvariante herausgestellt,
bei der der Deckel durch Kondensator-Entladungsschweißen mit
dem Gehäuse
verschweißt
wird. Da der Stromimpuls beim Kondensator-Entladungsschweißen sehr
präzise steuerbar
ist, kann der Abschmelzweg des Abstandshalters genau vorbestimmt
werden. Über
diesen Abschmelzweg wird wiederum unmittelbar die Größe der Vorspannkraft
beeinflußt,
so daß die
Größe der Vorspannkraft
zwischen Deckel und Gehäuse
letztlich durch die Anpassung von Schweißparametern eingestellt wird.
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Der
vorbestimmte Betrag, um den der Abstandhalter abschmilzt, kann individuell
eingestellt werden. Dies geschieht über eine einfache Variation des
Stromimpulses in Abhängigkeit
von vorgegebenen Parametern, wie z.B. der gewünschten Vorspannung, den Herstellungstoleranzen
der Kugelgelenkbauteile oder präzisen
Abstandsmessungen zwischen den Kugelgelenkbauteilen. Weiterhin ist
durch die kurze Schweißzeit
im Millisekundenbereich mit einer Konzentration der Schweißenergie
nur auf die Schweißzone
ein Verzug der Bauteile bzw. eine Schädigung der Schale durch Wärmeeinbringung auszuschließen. Dadurch
sind mit geringem Aufwand Kugelgelenke mit konstanter oder genau
vorbestimmbarer Vorspannung herstellbar.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse, einem
Gelenkzapfen, einer Lagerschale und einem Deckel, der die Lagerschale
im Gehäuse
verspannt, wobei der Deckel mit mindestens einem Abstandshalter
versehen ist, der elektrisch so mit dem Gehäuse verschweißt ist,
daß sich seine
Höhe auf
ein vorbestimmtes Maß verringert hat.
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Der
Abstandshalter ist dabei bevorzugt ein Ringbuckel. Dieser gewährleistet
einerseits eine umlaufend dichte Verbindung zwischen Deckel und
Gehäuse
und weist andererseits eine präzise
Abhängigkeit
zwischen Schweißstromimpuls
und einem Ringbuckel-Abschmelzweg auf.
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In
einer Ausführungsform
weist die Lagerschale eine Dichtlippe auf, die an einer dem Deckel zugewandten
Seite des Gehäuses
anliegt. Insbesondere liegt die Dichtlippe bereits vor dem Verschweißen des
Kugelgelenks am Gehäuse
an, so daß keine Schweißspritzer
zwischen Lagerschale und Gehäuse bzw.
zwischen Lagerschale und Kugelkopf eindringen können.
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Vorzugsweise
hat die Lagerschale eine Lagerschalenöffnung, wobei ausgehend von
dieser Lagerschalenöffnung
wenigstens ein Schlitz vorgesehen ist, so daß sich die Lagerschalenöffnung zur
Aufnahme eines Kugelkopfs aufweiten kann. Dadurch ist die Verbindung
zwischen der Lagerschale und dem Kugelkopf besonders einfach herstellbar,
obwohl der Durchmesser des Kugelkopfes üblicherweise größer als
der Durchmesser der Lagerschalenöffnung
ist. Wird die Lagerschale aus einem elastischen Material gefertigt,
so wirkt sie beim Einführen
des Kugelkopfes als Schnappschale und ist unverlierbar mit dem Kugelkopf
verbunden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist an der Lagerschale eine Anlagefläche ausgebildet, mit der die
Lagerschale an einer Anlagefläche
des Deckels angreift, wobei die beiden Anlageflächen jeweils die Form der Mantelfläche eines
Kegelstumpfes haben. Durch diese Ausführung der Anlageflächen wird
die beim Verschweißen
des Deckels entstehende Kraft zum Verspannen der Lagerschale im
Gehäuse
sehr gleichmäßig vom
Deckel auf die Lagerschale übertragen.
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Bevorzugt
sind ein Kegelwinkel der Anlagefläche des Deckels und ein Kegelwinkel
der Anlagefläche
der Lagerschale vor einer Montage des Deckels am Gehäuse unterschiedlich
groß.
Dadurch nimmt die Kraft zum Verspannen der Lagerschale im Gehäuse kontinuierlich
zu, je weiter sich die Höhe des
Abstandshalters verringert. Dies bietet den Vorteil, daß der gewünschte Gelenkvorspanngrad
sehr genau eingestellt werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kugelgelenks
vor dem Herstellen der Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse;
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2 einen
Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kugelgelenks
gemäß 1 vor
dem Verbinden zwischen Deckel und Gehäuse;
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3 einen
Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kugelgelenks
gemäß 1 nach
dem Verbinden von Deckel und Gehäuse;
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4 ein
Diagramm, bei dem Stromstärke
I und Abschmelzweg x über
der Zeit t aufgetragen sind;
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5 einen
Schnitt durch die Lagerschale einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelgelenks;
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6 Schnittansichten
der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kugelgelenks
vor und nach dem Herstellen der Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse;
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7 Schnitt
und Draufsicht der Lagerschale einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kugelgelenks;
und
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8 Schnittansichten
der dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kugelgelenks
vor und nach dem Herstellen der Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse.
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Die 1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk 8 mit
einem Gelenkzapfen 10 in einer ersten Ausführungsform.
Ein Kugelkopf 12 des Gelenkzapfens 10 ist wenigstens
abschnittsweise von einer kompressiblen Lagerschale 14 umgeben.
Der Kugelkopf 12 mitsamt Lagerschale 14 ist in
einer Aussparung eines Gehäuses 16 aufgenommen,
welche durch einen Deckel 18 verschlossen wird, so daß der Kugelkopf 12 vollständig vom
Gehäuse 16 und
vom Deckel 18 umschlossen ist. Ein Zapfenabschnitt 20 des
Gelenkzapfens 10 erstreckt sich nach unten durch eine Gehäuseöffnung 22 aus
dem Gehäuse 16 heraus.
Die zusätzlich
vorhandenen Dichtungen, z.B. ein Dichtungsbalg, sind hier nicht
dargestellt, da sie für
das Verständnis
der Erfindung ohne Bedeutung sind.
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Im
vorliegenden Beispiel weist der Deckel 18 einen Abstandshalter 24 auf,
der den Deckel 18 in einem übergroßen Abstand h1 vom
Gehäuse 16 hält. Der
Abstandshalter 24 ist in diesem Fall ein umlaufender Ringbuckel
mit dreieckigem Ringquerschnitt, wobei der Abstandshalter 24 jedoch
nicht umlaufend ausgeführt
sein muß und
in weiteren Ausführungsformen
auch andere, beispielsweise halbrunde Ringquerschnitte aufweisen
kann. Außerdem
ist es möglich,
daß das
Gehäuse 16 den
Abstandshalter 24 aufweist oder daß mehrere Abstandshalter 24 am
Gehäuse 16 und/oder
am Deckel 18 vorgesehen sind.
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Der
Abstand h1 ist hier als übergroßer Abstand bezeichnet, da
er größer ist
als ein Spiel zwischen dem Deckel 18 und der Lagerschale 14,
das bei montiertem Kugelgelenk, aber mit nur lose aufgesetztem Deckel
vorhanden ist. Dieses Spiel ist in 1 und 2 als
Abstand y eingezeichnet und beschreibt den Weg, um den sich der
Deckel 18 ohne Abstandshalter 24 in Richtung zum
Gehäuse 16 verschieben
könnte,
bis er in Anlage mit der Lagerschale 14 gelangt. Entsprechend
muß der
Abstandshalter 24 beim Schweißen mindestens um diesen Betrag
y abgeschmolzen werden, damit der Kugelkopf 12 des Gelenkzapfens 10 spielfrei
im Gehäuse 16 bzw.
im Deckel 18 gelagert ist. Der Abstand y ist daher so gewählt, daß beim Schweißvorgang
ein Abschmelzen des Abstandshalters 24 um diesen Betrag
eine sichere Verbindung zwischen dem Deckel 18 und dem
Gehäuse 16 gewährleistet.
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Oftmals
ist eine Vorspannung zwischen dem Gehäuse 16 und dem Deckel 18 erwünscht, um
ein Kugelgelenk 8 mit definiertem Reibmoment zu schaffen.
In solchen Fällen
muß die
Höhe h1 des Abstandshalters 24 um einen
größeren Betrag
als den Abstand y verringert werden. Je weiter die Höhe h1 des Abstandshalters 24 verringert
wird, desto größer ist
die Vorspannung zwischen dem Deckel 18 und dem Gehäuse 16.
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Die 2 zeigt
einen Detailausschnitt aus 1 vor dem
Verschweißen
von Gehäuse 16 und Deckel 18.
Gut zu erkennen ist das Spiel, d.h. der Abstand y zwischen der Lagerschale 14 und
dem Deckel 18. Der Abstandshalter 24 hält den Deckel 18 allerdings
in einem übergroßen Abstand
h1 vom Gehäuse 16, der größer ist
als der Abstand y zwischen der Lagerschale 14 und dem Deckel 18.
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Die 3 zeigt
denselben Ausschnitt des Kugelgelenks 8 wie 2,
allerdings nach dem Verschweißen
des Deckels 18 mit dem Gehäuse 16. Der Abstandshalter 24 hat
in 3 seine Höhe
h1 verringert und hält den Deckel 18 nun
in einem Abstand h2 vom Gehäuse 16.
Der Abstandshalter 24 ist beim Schweißen um einen Betrag x, welcher
der Differenz zwischen h1 und h2 entspricht,
abgeschmolzen, so daß der
Deckel 18 nun wenigstens spielfrei, vorzugsweise vorgespannt,
am Gehäuse 16 angebracht
ist.
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Der
Deckel 18 wird bevorzugt durch Kondensator-Entladungsschweißen mit
dem Gehäuse 16 verbunden.
Dabei wird durch eine Entladung von Kondensatoren ein Stromimpuls
zur Verfügung
gestellt, der zum Abschmelzen des Abstandshalters 24 führt. Die 4 zeigt
ein Diagramm, bei dem ein Verlauf der Stromstärke I eines solchen Stromimpulses über der
Zeit t eingezeichnet ist (fett dargestellter Verlauf). Bei diesem
zeitlichen Verlauf der Stromstärke
I ergibt sich der Abschmelzweg x des Abstandshalters 24 (dünn dargestellter
Verlauf). Über
eine Variation des zeitlichen Stromverlaufs I kann der Abschmelzweg
x des Abstandshalters 24 so eingestellt werden, daß der Deckel 18 mit
einer gewünschten Vorspannung
am Gehäuse 16 angebracht
ist. Da der Stromimpuls beim Kondensator-Entladungsschweißen mit geringem Aufwand angepaßt werden
kann, ist es möglich,
bei jedem Kugelgelenk 8 die Herstellungstoleranzen der
einzelnen Bauteile zu erfassen und den Stromimpuls entsprechend
dem errechneten Abschmelzweg x des Abstandshalters 24 einzustellen.
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In
den 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform
des Kugelgelenks 8 dargestellt, die sich verglichen mit
der ersten Ausführungsform
lediglich in der Ausführung
der Lagerschale 14 unterscheidet. Die Lagerschale 14 weist
in 5 eine umlaufende Dichtlippe 26 auf,
welche sich bereits vor dem Verschweißen von Deckel 18 und
Gehäuse 16 unter leichter
Vorspannung auf das Gehäuse 16 legt
und das Eindringen von Schweißspritzern
verhindert (6, oben). In Längsrichtung
des Gelenkzapfens 10 gesehen befindet sich die Dichtlippe 26 auf
Höhe des
Abstandshalters 24 zwischen dem Deckel 18 und dem
Gehäuse 16.
Die Abmessung der Dichtlippe 26 ist in dieser Richtung
vorzugsweise kleiner als h2, so daß die Dichtlippe 26 beim
Schweißvorgang
eine Bewegung des Deckels 18 in Richtung zum Gehäuse 16 nicht
behindert. Die Situation nach dem Verschweißen des Kugelgelenks 8 ist
in 6 (unten) zu sehen.
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Außerdem sind
in der Lagerschale 14 gemäß 5 Schlitze 28 vorgesehen,
die ausgehend von einer Lagerschalenöffnung 30 in Richtung
einer Gelenkachse A verlaufen, wobei sich die Schlitze 28 wenigstens
bis zum maximalen Schalenquerschnitt erstrecken. Beim Einführen des
Kugelkopfes 12 weiten sich die Schlitze 28 und
damit die Lagerschalenöffnung 30 auf,
so daß der
Kugelkopf 12 problemlos in der Lagerschale 14 aufgenommen
werden kann, obwohl der Durchmesser des Kugelkopfes 12 größer ist,
als der Durchmesser der Lagerschalenöffnung 30. Falls die
Lagerschale 14 aus einem elastischen Material gefertigt
ist, schnappt die Lagerschale 14 nach dem Einführen des
Kugelkopfes 12 wieder in ihre Ausgangsform gemäß 5 zurück und ist
unverlierbar mit dem Gelenkzapfen 10 verbunden.
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Die 7 und 8 zeigen
eine dritte Ausführungsform
des Kugelgelenks 8 mit veränderter Lagerschale 14 und
verändertem
Deckel 18. An der Lagerschale 14 ist eine Anlagefläche 32 vorgesehen (7 oben),
mit der die Lagerschale 14 an einer Anlagefläche 34 des
Deckels angreift (8), wobei die beiden Anlageflächen 32, 34 jeweils
als Mantelfläche eines
Kegelstumpfes ausgebildet sind. Vor einer Montage des Deckels 18 am
Gehäuse 16 sind
der Kegelwinkel α der
Anlagefläche 32 der
Lagerschale 14 und der Kegelwinkel β der Anlagefläche 34 des Deckels 18 unterschiedlich
groß.
Da die Lagerschale 14 flexibel bzw. kompressibel ist, paßt sich
der Kegelwinkel α der
Lagerschale 14 durch Materialverformung dem Kegelwinkel β des Deckels 18 an,
wenn der Deckel 18 auf das Gehäuse 16 aufgesetzt
und mit ihm verschweißt
wird. Dabei nimmt die Kraft zum Verspannen der Lagerschale 14 im
Gehäuse 16 mit geringer
werdendem Abstand zwischen Deckel 18 und Gehäuse 16 kontinuierlich
zu. Infolgedessen kann der gewünschte
Gelenkvorspanngrad sehr genau eingestellt werden. Ist eine besonders
hohe Gelenkvorspannung erwünscht,
so können
bzgl. der Achse A radiale Versteifungsstege 36 für die Anlagefläche 32 vorgesehen
sein, die eine Änderung
des Kegelwinkels α behindern,
indem sie die Anlagefläche 32 im
wesentlichen über
die gesamte axiale Ausdehnung der Anlagefläche 32 gegen den Kugelkopf 12 abstützen. Die
Versteifungsstege 36 sorgen somit für einen schnelleren Kraftanstieg
beim Verschweißen
des Kugelgelenks 8.