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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, beispielsweise für ein Achssystem
oder eine Radaufhängung
eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Kugelgelenke
der eingangs genannten Art kommen beispielsweise, jedoch keineswegs
ausschließlich,
im Bereich der Radaufhängung,
oder als Hülsengelenke – beispielsweise
zur Anlenkung von Querstabilisatoren, Stoßdämpfern oder Feder-Dämpfersystemen – bei Kraftfahrzeugen
zum Einsatz.
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Die
an derartige Kugel- oder Hülsengelenke gestellten
Anforderungen umfassen insbesondere hohe spezifische Belastbarkeit
und geringes Lagerspiel sowohl im statischen als auch im dynamischen Belastungsfall,
ferner geringen Wartungsbedarf bzw. Wartungsfreiheit möglichst über die
Lebensdauer des Kraftfahrzeugs bzw. Kugelgelenks, eine möglichst
geringe Masse und einen geringen Bauraumbedarf. Darüber hinaus
soll die Herstellung nach Möglichkeit
kostengünstig
erfolgen.
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Üblicherweise
besitzt ein Kugel- oder Hülsengelenk
ein im Wesentlichen ringförmig-zylindrisches oder
topfförmiges
Gelenkgehäuse,
in dessen Innenraum die Lagerschale bzw. Kugelschale angeordnet
ist. Dabei ist es erforderlich, dass die Kugelschale spielfrei und
insbesondere gegen Verdrehen relativ zum Gelenkgehäuse gesichert
im Gelenkgehäuse
verankert ist, da Bewegungen der äußeren Oberfläche der
Kugelschale gegenüber
der Innenoberfläche
des Gelenkgehäuses
zu Abrieb, damit frühzeitig
zu unerwünschtem
Spiel und zu einer Verkürzung
der Lebensdauer des Kugelgelenks führen würden.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Kugel- bzw. Hülsengelenken
wird versucht, dem unerwünschten
Verdrehen der Kugelschale im Gelenkgehäuse dadurch entgegenzuwirken,
dass die Kugelschale im Bereich der deckelseitigen Stirnseite des Gelenkgehäuses einen
vorspringenden Kugelschalenbund erhält wobei der Kugelschalenbund
bei der Zusammenfügung
von Kugelschale und Gelenkgehäuse
in einer zum Kugelschalenbund formkomplementären, umlaufenden Gehäusestufe
im Bereich des Gelenkgehäusedeckels
zur Anlage kommt. Bei der Montage des Gelenkgehäusedeckels wird sodann der
vorspringende Kugelschalenbund zwischen dem Gelenkgehäusedeckel
und der umlaufenden Gehäusestufe
eingeklemmt dergestalt, dass Relativbewegungen – insbesondere Verdrehungen
zwischen Kugelschale und Gelenkgehäuse – möglichst unterbunden werden.
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Insbesondere
im Rahmen der strengen Kostenanforderungen, die in der Großserie auch
an Kugel- und Hülsengelenke
gestellt werden, sind die mit der Herstellung eines Kugelschalenbunds
ebenso wie mit der Erzeugung der umlaufenden Gehäusestufe am Gelenkgehäuse beim
Stand der Technik stets verbundenen Werkzeug- und Produktionskosten
kritisch zu betrachten.
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Auch
können
die mit der umlaufenden Gehäusestufe
und dem Kugelschalenbund verbundenen Vergrößerungen der jeweiligen Toleranzkette
in der gelenkgehäuseaxialen
Richtung tendenziell dazu führen,
dass sich der Produktionsausschuss erhöht, oder aber dass entsprechend
höhere
Genauigkeitsanforderungen bei der Produktion der Einzelteile eingehalten
werden müssen,
was tendenziell ebenfalls die Produktionskosten derartiger Kugel-
oder Hülsengelenke
erhöht.
Schließlich
sind auch die Genauigkeitsanforderungen bei der Herstellung sowohl des
Kugelschalenbunds als auch der umlaufenden Gehäusestufe vergleichsweise hoch,
da die gewünschte
Verdrehsicherung nur bei genauer Reproduzierbarkeit der hierzu erforderlichen
Klemmkräfte gewährleistet
werden kann.
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Mit
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Kugelgelenk zu schaffen, mit dem die genannten Nachteile des Standes der
Technik überwunden
werden. Insbesondere soll mit der Erfindung eine wirksame Verdrehsicherung zwischen
Kugelschale und Gelenkgehäuse,
eine Verbesserung bei der Robustheit der gehäuseaxialen Toleranzkette, wie
auch gleichzeitig eine Reduktion der Herstellungskosten erzielt
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Kugelgelenk
umfasst in an sich bekannter Weise zunächst einmal ein im Wesentlichen
ring- oder topfförmiges
Gelenkgehäuse.
Das Gelenkgehäuse
weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen Innenraum auf, in dem
die Kugelschale des Kugelgelenks angeordnet ist, wobei die Kugelschale
mittels eines Verschlussrings im Gelenkgehäuse fixiert ist. In der Kugelschale
wiederum ist die Kugel des Kugelzapfens bzw. der Kugelhülse des
Kugelgelenks gleitbeweglich aufgenommen.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich das Kugelgelenk jedoch dadurch aus, dass die Kugelschale in ihrem
an den Verschlussring angrenzenden Endbereich außenseitig im Wesentlichen glatt
zylindrisch ausgebildet ist. Dabei weist gleichzeitig der Verschlussring
des Gelenkgehäuses
auf seiner der Kugelschale zugewandten Stirnseite eine Zahnung auf.
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Auf
diese Weise ergibt sich dank der im Wesentlichen glatt zylindrischen
Ausbildung des an den Verschlussring angrenzenden Endbereichs der
Kugelschale zunächst
einmal eine Vereinfachung der Schalengeometrie dadurch, dass der
Kugelschalenbund entfallen kann, was bereits erste Werkzeug- und
Herstellungskosten einspart. Ferner kann auch die umlaufende Gehäusestufe
am Gelenkgehäuse entfallen,
wodurch weitere Werkzeug- und Produktionskosten eingespart werden
können. Überdies
wird dank Entfalls der umlaufenden Gehäusestufe am Gelenkgehäuse auch
noch eine zusätzliche
Durchmesserreduzierung des Gelenkgehäuses möglich, die zu der konstruktiv
stets wünschenswerten
Bauraumreduzierung und Gewichtsverringerung beiträgt. Schließlich wird
aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung
auch die Toleranzkette in gelenkgehäuseaxialer Richtung verkürzt bzw.
vereinfacht, was zusätzlich
zu weiterer Kostenersparnis sowie zur Ausschussreduzierung beiträgt.
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Die
nach wie vor erforderliche Verdrehsicherung der Kugelschale im Gelenkgehäuse wird
dabei erfindungsgemäß dadurch
erzielt, dass der Verschlussring auf seiner der Kugelschale zugewandten Stirnseite
eine Zahnung aufweist. Die Zahnung des Verschlussrings kann im Moment
des Verschließens des
Gelenkgehäuses
durch den Verschlussring in die deckelseitige Stirnseite des Gelenkgehäuses eindringen.
Auf diese Weise wird eine sichere formschlüssige Verbindung zwischen der
Kugelschale und dem Gehäusedeckel,
und damit auch zwischen der Kugelschale und dem Gelenkgehäuse hergestellt,
die für die
erforderliche Verdrehsicherung sorgt.
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Die
genaue konstruktive Ausbildung und Anordnung der Zahnung am Verschlussring
ist dabei erfindungsgemäß zunächst einmal
beliebig, solange mittels Eindringen der Verzahnung in die Kugelschale
bei der Montage des Gehäusedeckels
sicherer Formschluss zwischen Gehäusedeckel und Kugelschale gewährleistet
werden kann. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Zahnung lediglich
in einem inneren kreisringförmigen
Teilbereich der Stirnseite des Verschlussrings angeordnet ist.
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Auf
diese Weise wird insbesondere ermöglicht, dass ein äußerer kreisringförmiger Teilbereich des
Verschlussrings als dichtende Befestigung des Verschlussrings relativ
zum Gelenkgehäuse
herangezogen werden kann, wobei die Verbindung zwischen Verschlussring
und Gelenkgehäuse
vorzugsweise durch Verrollen/Verpressen erfolgt. Daher kann in dem äußeren kreisringförmigen Teilbereich des
Verschlussrings auf die Zahnung verzichtet werden, wodurch sich
wiederum Kosten bei der Herstellung des Verschlussrings einsparen
lassen.
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Gemäß einer
weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Zahnung als Rändel
ausgebildet. Dabei besteht das Rändel vorzugsweise
aus einer Vielzahl kugelschalenseitig scharfkantig ausgebildeter,
im Wesentlichen radial verlaufender und im Wesentlichen prismatisch
geformter Erhebungen. Ein so ausgebildetes Rändel ist am Verschlussring
kostengünstig
insbesondere spanlos erzeugbar, benötigt lediglich geringe Einpresskräfte in die
Kugelschale und führt – im Sinne einer
wirksamen Verdrehsicherung – gleichzeitig
zu hohen übertragbaren
Drehmomenten zwischen Kugelschale und Verschlussring bzw. Gelenkgehäuse.
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Nach
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Verschlussring im gelenkgehäuseaxialen
Längsschnitt
eine im Wesentlichen C-förmige
Querschnittskontur auf. Diese Ausgestaltung des Verschlussrings
ist zunächst
einmal materialsparend in der Herstellung und ermöglicht zudem
eine vorteilhafte Funktionsvereinigung sowohl der Funktionen des
Gelenkgehäusedeckels
bzw. Gelenkgehäuseverschlusses,
der Verankerung und Verdrehsicherung der Kugelschale, der Befestigung
eines Gelenk-Dichtungsbalgs, als ggf. auch zusätzlich der Funktion eines Winkelanschlags
für den
Kugelzapfen bzw. für
die Kugelhülse
des Kugelgelenks. Überdies
ist ein dergestalt ausgeführter
Verschlussring einfach und kostensparend herstellbar, insbesondere
als Pressteil.
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Zur
Verwirklichung der Erfindung ist es zunächst einmal nicht wesentlich,
auf welche Weise die Verbindung zwischen Gelenkgehäusedeckel
und Gelenkgehäuse
erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Verschlussring jedoch stirnseitig in das Gelenkgehäuse eingebördelt. Auf
diese Weise wird ein insbesondere dichter und dauerhafter Verschluss
des Gelenkgehäuses
ohne weitere Bauteile erzielt. Ferner ist der Verschluss durch Bördelung kostengünstig und
prozesssicher darstellbar.
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Gemäß weiterer
Ausführungsformen
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innenraum des Gelenkgehäuses im
Bereich der dem Gehäusedeckel gegenüberliegenden
Seite des Gelenkgehäuses
einen Absatz als Axialanschlag für
die Kugelschale aufweist; bzw. dass der Innenraum des Gelenkgehäuses einen
in gelenkgehäuseaxialer
Richtung im Bereich der dem Gehäusedeckel
gegenüberliegenden
Seite des Gelenkgehäuses
kontinuierlich abnehmenden Durchmesser aufweist.
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Dank
eines im Innenraum des Gelenkgehäuses
angeordneten Absatzes als Axialanschlag für die Kugelschale kann die
Kugelschale von der Deckelseite her einfach bis zum Absatz im Gelenkgehäuse eingeschoben,
und das Gelenkgehäuse
sodann durch den Gehäusedeckel
verschlossen werden. Auf diese Weise wird somit eine einfache Montage
und eine definierte Positionierung der Kugelschale im Gelenkgehäuse erreicht.
Eine zusätzlich
oder alternativ im Innenraum des Gelenkgehäuses vorhandene, kontinuierlich
kleiner werdende Durchmesserkontur kann ebenfalls als Axialanschlag
bei der Montage der Kugelschale im Gelenkgehäuse herangezogen werden; ferner
lässt sich
auf diese Weise eine in manchen Anwendungsfällen wünschenswerte erhöhte Steifigkeit
der Kugelschale anhand der in diesem Bereich geringeren Wandstärke der
Kugelschale erzielen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
darstellender Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 in
schematischer Darstellung ein Beispiel für ein Kugelgelenk gemäß dem Stand
der Technik im isometrischen Längsschnitt;
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2 ein
Hülsengelenk
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung im Längsschnitt;
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3 einen
Verschlussring eines Hülsengelenks
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung im Längsschnitt;
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4 den
Verschlussring gemäß 3 in der
Draufsicht;
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5 in
schematischer, vergrößerter Darstellung
den Verschlussbereich eines Hülsengelenks gemäß der Stand
der Technik;
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6 in
einer 5 entsprechenden Darstellung den Verschlussbereich
des Hülsengelenks gemäß 2;
und
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7 in
weiter vergrößerter Darstellung Ausschnitt
aus der gerändelten
Oberfläche
des Verschlussrings des Hülsengelenks
gemäß 6.
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1 zeigt
in schematischer Längsschnittdarstellung
ein Kugelgelenk gemäß dem Stand
der Technik. Man erkennt das im Wesentlichen topfförmige Gelenkgehäuse 1 mit
der darin angeordneten Lagerschale bzw. Kugelschale 2.
Im Innenraum der Kugelschale 2 wiederum ist die Kugel 3 eines
Kugelzapfens 4 angeordnet.
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Ferner
lässt sich
in 1 erkennen, dass die Kugelschale 2 im
Gelenkgehäuse 1 mittels
eines lediglich schematisch angedeuteten Verschlussrings 5 verankert
ist, wobei die Kugelschale 2 zum Zweck der Verankerung,
insbesondere zur Verdrehsicherung der Kugelschale 2, einen
im Bereich ihrer an den Verschlussring angrenzenden Stirnseite radial nach
außen
weisenden, vorspringenden Kugelschalenbund 6 aufweist.
Der Kugelschalenbund 6 ist dabei in einer ebenfalls umlaufenden,
zum Kugelschalenbund 6 formkomplementären Gehäusestufe 7 des Gelenkgehäuses 1 aufgenommen,
und wird dort zwischen Verschlussring 5 und Gelenkgehäuse 1 festgeklemmt.
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Kugelschalenbund 6 und
Gehäusestufe 7 des
Gelenkgehäuses 1 sind
beim dargestellten Beispiel aus dem Stand der Technik, wie bereits
eingangs ausgeführt,
jedoch vergleichsweise kostenintensiv in der Produktion, führen zu
einer Verlängerung
der jeweiligen Toleranzkette in gelenkgehäuseaxialer Richtung, und beanspruchen
zudem Bauraum insbesondere in der radialen Richtung im Bereich der
deckelseitigen Stirnseite des Gelenkgehäuses.
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Ein
mit der Darstellung aus 1 bezüglich der Verankerung und Verdrehsicherung
der Kugelschale 1 übereinstimmendes
weiteres Beispiel aus dem Stand der Technik ist in 5 vergrößert dargestellt.
Man erkennt auch in 5 wieder den stirnseitigen Auslauf
des Gelenkgehäuses 1,
einen Teil des Gelenkgehäusedeckels 5 sowie
den zugehörigen stirnseitigen
Bereich der Kugelschale 2. Ferner ist der auch bei diesem
Beispiel aus dem Stand der Technik vorhandene umlaufende Kugelschalenbund 6 sowie
die zugehörige,
im Gelenkgehäuse 1 angeordnete
Gehäusestufe 7 erkennbar,
die auch dort zur Verankerung und insbesondere Verdrehsicherung der
Kugelschale 2 noch erforderlich sind, mit den bereits ausgeführten Nachteilen
insbesondere bezüglich
Produktionsaufwand und Herstellungskosten, Bauraum und Gewicht.
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In
den 2 bis 4 sowie 6 und 7 sind
Ausführungsformen
für Kugelgelenke bzw.
Hülsengelenke
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt, mit denen die zuvor geschilderten Nachteile
und Einschränkungen
des Standes der Technik überwunden
werden.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines Hülsengelenks
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Man erkennt zunächst
die Kugelhülse 9,
das Gelenkgehäuse 10 sowie
die zwischen Kugelhülse 9 und
Gelenkgehäuse 10 angeordnete
Kugelschale 11. Das Hülsengelenk
in der dargestellten Ausführungsform besitzt
ferner einen im Querschnitt im Wesentlichen C-förmig ausgebildeten Verschlussdeckel 12.
Der Verschlussdeckel 12 verschließt das Gelenkgehäuse 10,
verankert die Kugelschale 11 im Gelenkgehäuse 10,
nimmt ferner das gelenkseitige Ende eines Dichtungsbalgs 13 auf,
und kann schließlich – im Sinne
einer vorteilhaften Funktionsvereinigung – auch noch den Winkelanschlag
zur Begrenzung des Winkelausschlags der Gelenkhülse 9 relativ zum
Gelenkgehäuse 10 bilden.
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Aus 2 geht
außerdem
hervor, dass der Innenraum des Gelenkgehäuses 10 im Bereich
der dem Gehäusedeckel 12 axial
gegenüberliegenden Seite
des Gelenkgehäuses 10 einen
in gelenkgehäuseaxialer
Richtung kontinuierlich abnehmenden Durchmesser aufweist. Auf diese
Weise wird bei der Montage des Hülsengelenks
eine definierte Positionierung der Kugelschale 11 im Gelenkgehäuse 10 erreicht,
und es ergibt sich anhand der mit dieser Ausgestaltung bereichsweise
verringerten Wandstärke der
Kugelschale 11 auch eine erhöhte Steifigkeit der Kugelschale 11.
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In
den 3 und 4 ist der Gehäusedeckel 12 einer
weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kugel-
oder Hülsengelenks
dargestellt. Auch der Gehäusedeckel 12 gemäß 3 und 4 ist
zur Einbördelung
in ein Gelenkgehäuse 10 sowie
zur Aufnahme eines Dichtungsbalgs 13 vorgesehen. In den
Darstellungen gemäß 3 und 4 erkennt
man insbesondere die in Form eines kreisringförmig bereichsweise aufgebrachten
Rändels vorliegende
Zahnung 14 des Verschlussrings 12. Anhand der 3 und 4 wird
dabei erkennbar, dass die Zahnung 14 des Verschlussrings 12 hier
aus einer Vielzahl scharfkantiger, im Wesentlichen radial verlaufender
und im Wesentlichen prismatischer Erhebungen besteht, die innerhalb
des kreisringförmigen
Bereichs 15 angeordnet sind.
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Auch
in den 6 und 7 ist nochmals in jeweils vergrößerter Darstellung
die Zahnung 14 bzw. das Rändel eines Verschlussrings 12 gemäß einer Ausführungsform
für ein
Hülsengelenk
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. In 6 ist erkennbar,
dass der Gelenkgehäusedeckel 12 mittels einer
Bördelung 8 mit
dem Gelenkgehäuse 10 verbunden
ist. Man erkennt ferner insbesondere anhand einer Zusammenschau
der 5 und 6, dass die Geometrie der Kugelschale 11 sowie
des Gelenkgehäuses 10 im
Verbindungsbereich mit dem Gehäusedeckel 12 bei
dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk
gemäß 6 erheblich
einfacher, und damit auch kostengünstiger wie auch platzsparender
gestaltet werden kann als beim Stand der Technik gemäß 5,
da infolge der Erfindung sowohl der im Stand der Technik gemäß 5 vorhandene
Kugelschalenbund 6 der Kugelschale 2 als auch
die Gehäusestufe 7 des
Gelenkgehäuses 1 entfallen.
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Im
Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung ein Kugel-
bzw. Hülsengelenk
geschaffen wird, das gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Kugel- bzw. Hülsengelenken
Vorteile insbesondere in Bezug auf eine Minimierung der Herstellungskosten
sowie im Hinblick auf Bauraumeinsparungen und Gewichtsreduzierungen
bietet. Damit leistet die Erfindung einen Beitrag zur Verbesserung
der Kosteneffektivität
sowie zur Vergrößerung des
möglichen
Einsatzbereichs von Kugel- bzw. Hülsengelenken, insbesondere
in Bezug auf die Anwendung im Bereich von Achssystemen, Radaufhängungen
oder zur Anlenkung von Feder-Dämpfersystemen
am Kraftfahrzeug.
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- 1
- Gelenkgehäuse
- 2
- Kugelschale
- 3
- Gelenkkugel
- 4
- Kugelzapfen
- 5
- Verschlussring
ohne Zahnung
- 6
- Kugelschalenbund
- 7
- Gehäusestufe
- 8
- Bördelung
- 9
- Kugelhülse
- 10
- Gelenkgehäuse
- 11
- Kugelschale
- 12
- Verschlussring
mit Zahnung
- 13
- Dichtungsbalg
- 14
- Zahnung,
Rändel
- 15
- kreisringförmiger Rändelbereich