-
Die
Erfindung betrifft eine Gelenk- und/oder Lageranordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer oder mehreren
derartigen Gelenk- und/oder
Lageranordnung(en), insbesondere in Fahrwerks- und/oder Lenkungsteilen.
-
Bei
Gelenkanordnungen, die einen Zapfen aufweisen, der mit seinem Kopfbereich
in einer Gelenkschale beweglich zu halten ist, ist es günstig, diese
Gelenkschale aus einem relativ weichen Material zu bilden, um eine
hinreichende Dämpfung
und einen geräuscharmen
Betrieb der Gelenk- oder Lageranordnung zu erreichen. Häufig wird
beispielsweise für eine
Gelenkschale ein POM-Kunststoff oder ein anderer Thermoplast verwendet.
Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, dass eine Gelenkschale aus
für die
genannten Komfortanforderungen geeigneten Kunststoffen bei hoher
Temperatur, zum Beispiel schon bei etwa 80°C, und/oder bei hoher radialer
Belastung häufig
ihre Fließgrenze
erreicht. Daher kann es bei radialer Belastung zu einer plastischen
und daher nicht reversiblen Verformung, etwa einer Verdünnung, der
Gelenkschale kommen, was zu einem Spiel im Gelenk und einer verringerten
Stabilität
der Gelenkschale führt.
Insbesondere im Kraftfahrzeug können
solche radiale Belastungen beim starken Beschleunigen oder Bremsen
auftreten. Neben der mechanischen Belastung kann eine Wärmeabstrahlung der
Bremse das Problem weiter verschärfen.
-
Zudem
ist es insbesondere für
Los-Lager-Anordnungen, wie etwa in solchen Federbeinachsen, die
einen von dem Radträger
separaten Lenkungsträger
aufweisen, erforderlich, die Gelenk- oder Lagerschale gegenüber einem
sie umgebenden Aufnahmeraum bezüglich
der Gelenkachse axial beweglich auszubilden. Diese axiale Beweglichkeit
ist nicht nur beim Einbau, sondern auch im laufenden Betrieb des
Los-Lagers sicherzustellen.
-
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei Gelenken mit axial beweglichen
Gelenkschalen eine dauerhafte Verbesserung der Maßhaltigkeit
und Stabilität
der Gelenkschale auch bei hoher Temperatur und/oder radialer Belastung
der Gelenkschale zu erreichen.
-
Die
Erfindung löst
dieses Problem durch eine Gelenk- oder Lageranordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des
Anspruchs 16. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung wird auf die weiteren Ansprüche 2 bis 15 und 17 verwiesen.
-
Durch
die Erfindung ist ein axiales Fließen des Materials der Gelenk-
oder Lagerschale gehemmt. Der bei radialer Belastung auftretende
Druck durch den Kopfbereich des Zapfens auf die Umfangswandungen
der Gelenk- oder Lagerschale kann aufgrund der axialen Armierung
im Idealfall nicht – in
jedem Fall aber vermindert – zu
einem Ausweichen des Wandungsmaterials in axialer Richtung führen. Die Wandungsstärke kann
daher nicht abnehmen, eine Materialverdünnung ist verhindert.
-
Insbesondere
ist die Armierung vollständig
in die Gelenkschale eingebettet und von deren Material umschlossen,
so dass deren Grenzflächen
gegenüber
dem Gelenkkopf einerseits und gegenüber dem sie umgebenden Aufnahmeraum
von der Armierung unbeeinflusst sind. Eine Lenk- oder Kippbewegung des
Gelenkkopfes gegenüber
der radial innen liegenden Grenzfläche der Gelenkschale bleibt
daher ungestört
möglich – ebenso
wie eine axiale Verschieblichkeit der Gelenkschale mit ihrer äußeren Grenzfläche gegenüber dem
sie umgebenden Aufnahmeraum. Die Reibung hier ist durch die Armierung
nicht verändert.
-
Die
Armierung ist vorteilhaft für
ein effektives Verhindern des Fließens über einen wesentlichen Teil
der axialen Länge
der Gelenkschale erstreckt. Insbesondere im axial mittigen Bereich,
in dem die Gelenkschale z. B. eines Kugelgelenks ihre geringste Materialstärke aufweist,
ist die Armierung ohne Schwächung
durchgehend ausgebildet.
-
Die
Armierung kann zumindest teilweise durch Faserverstärkung, zum
Beispiel Aramid- oder Teflonfasern, gebildet sein, wobei ein axiales
Fließen des
Materials der Gelenkschale besonders gut verhindert ist, wenn die
Fasern mit einer axialen Komponente verlaufen und zum Beispiel über den
gesamten Umfang der Gelenkschale verteilt liegen.
-
Dabei
kann günstig
zumindest ein Teil der Fasern zu einem Geflecht miteinander verwoben und/oder
verstrickt sein, so dass sich eine stabilisierende Matte ergibt
und auftretende Kräfte
gleichmäßig verteilt
werden.
-
Zusätzlich oder
alternativ kann die Armierung teilweise oder vollständig eine
ein- oder mehrstückige
formstabile Einlage umfassen. Diese weist insbesondere Hinterschneidungen
für eine
möglichst innige
Durchdringung durch den Kunststoff der Gelenkschale auf. Hohlräume der
Armierung können dann
vollständig
mit Kunststoffmaterial ausgefüllt sein.
-
Dabei
ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Einlage einen lotrecht
zur Achse stehenden Ringkörper
ausbildet, der etwa kronenförmig
ausgebildet ist und an dem der Durchtrittsöffnung für den Gelenkzapfen axial abgewandten
Bereich durchgehend und an dem der Durchtrittsöffnung für den Gelenkzapfen axial zugewandten
Bereich mit mehreren Durchbrechungen versehen ist.
-
In
jedem Fall ist die Einlage aus einem gegenüber dem umgebenden Material
der Gelenkschale, insbesondere einem Thermoplast, härteren Werkstoff
gebildet, zum Beispiel aus Stahl oder einem stabilen Kunststoff,
wie etwa PEEK. Eine Kunststoffeinlage kann mit dem sie umgebenden
Kunststoff der Gelenkschale koextrudiert sein.
-
Sowohl
bei einem in sich starren Bauteil als auch bei einer Faserarmierung
kann diese im Wesentlichen senkrecht zur Gelenkachse verlaufende Barrieren
gegen axiale Verformung umfassen. Diese Barrieren können nach
Art von Kragenbereichen zur Gelenkachse einwärts weisen und von dieser zum Beispiel
lotrecht durchdrungen sein. Die Ebene der Kragenbereiche steht dann
senkrecht zur Gelenkachse, woraus sich eine besonders effektive
Hemmung gegen axiales Fließen
des Gelenkschalenmaterials ergibt.
-
Die
Erfindung ist insbesondere bei hoch belasteten Gelenken in einer
Los-Lager-Anordnung einsetzbar, zum Beispiel in solchen Federbeinachsen von
Fahrzeugen mit Frontantrieb, bei denen sie einen statischen Radträger mit
einem Schwenkradträger verbinden.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung
dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes
der Erfindung.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 eine
schematische, teilweise aufgeschnittene Übersichtszeichnung einer erfindungsgemäßen Gelenk-
und/oder Lageranordnung mit einer in sich formstabilen Einlage innerhalb
der Gelenkschale,
-
2 einen
vergrößerten,
teilweise abgebrochenen Detailausschnitt der die Armierung aufnehmenden
Gelenkschale und des beweglichen Gelenkkopfes nach 1,
-
3 eine
herausgezeichnete Armierung als Durchbrechungen aufweisender und
durchgehend geschlitzter Stahlring,
-
4 einen
alternativen Armierungsring, der kronenförmig ausgebildet ist, in perspektivischer
Darstellung,
-
5 eine
weitere Alternativausbildung eines zweifach durchgehend geschlitzten
Armierungsrings,
-
6 eine
Draufsicht auf den Armierungsring nach 3,
-
7 einen
Schnitt entlang der Linie VII-VII in 6,
-
8 eine ähnliche
Ansicht wie 7, jedoch nach Umspritzen des
Armierungsrings durch den Kunststoff der Gelenkschale,
-
9 eine ähnliche
Darstellung wie 8, jedoch einer alternativen
Ausbildung mit nach außen weisenden
Endbereichen der Armierung, wobei nur ein Teil des Ringes bis zur
Symmetrieachse dargestellt ist,
-
10 eine ähnliche
Darstellung wie 9, jedoch einer weiteren Alternativausbildung
mit einer in Anpassung an den Gelenkkopf gekrümmten Armierung ohne gesondert
abgeknickte Endbereiche,
-
11 eine ähnliche
Darstellung wie 10, jedoch einer weiteren Alternativausbildung mit
einer netzartig verwobenen Armierung, die die Gelenkschale vollständig durchdringt,
-
12 eine ähnliche
Darstellung wie 11, jedoch einer weiteren Alternativausbildung mit
einzelnen, axial und parallel zueinander angeordneten Fäden als
Armierung,
-
13 eine ähnliche
Darstellung wie 12, jedoch einer weiteren Alternativausbildung mit
einer wie in 8 C-förmigen Armierung, allerdings
gebildet durch ein Gewebe einer Armierungsphase.
-
Die
Gelenkanordnung 1 nach 1 umfasst einen
axial erstreckten Gelenkzapfen 2 mit einem erweiterten
und beispielsweise durch eine im Wesentlichen kugelförmige Ausformung
gebildeten Kopfbereich 3. Dieser kann in und gegenüber einer
in der Regel dauergeschmierten Gelenk- oder Lagerschale 4,
die den Kopfbereich aufnimmt, lenk- und/oder kippbeweglich gehalten
sein. Die Gelenkschale 4 kann außerhalb des Zapfendurchtritts
im Wesentlichen geschlossen oder eher ringförmig ausgebildet sein.
-
Weiterhin
ist die Gelenkschale 4 ihrerseits zumindest radial außen teilweise
von einem als Gehäuse 5 wirkenden
Aufnahmeraum umgeben. Das Gehäuse 5 muss
keine gesonderte Baueinheit ausbilden, sondern kann auch integraler
Bestandteil eines beispielsweise die Gelenkanordnung 1 im
montierten Zustand umgreifenden Lenkers sein. Ein solcher Lenker
kann beispielsweise durch Umspritzen oder -gießen mit flüssigem, heißem Material hergestellt werden,
zum Beispiel durch Zinkdruckguss, wobei der Lenker nach anschließendem Erkalten
in einer Form starr und formstabil ist und ohne weitere Nachbearbeitung
ein integrales Gehäuse 5 bilden kann.
-
Die
Gelenk- und/oder Lageranordnung 1 umfasst weiter eine Dichtungsmanschette 6,
die häufig als
Dichtungsbalg ausgebildet ist. Sie schließt im Bereich der von dem Gehäuse 5 belassenen
Durchtrittsöffnung 7 für den Zapfen 2 an
die Gelenkschale 4 an.
-
Die
Gelenk- und/oder Lageranordnung 1 kann während des
Betriebs lediglich radial belastet sein oder auch in einer Los-Lager-Anordnung
ein axiales Spiel Δs
als Bewegungsraum nutzen. Dieser axiale Bewegungsraum ist auch zur
Montage und Demontage nutzbar.
-
Die
Gelenkschale 4 kann beispielhaft im Wesentlichen aus einem
PA, POM, PBT, PEEK oder vernetzten Typen dieser Materialien (zum
Beispiel durch Elektronenstrahlvernetzen) gebildet sein. Diese gewähren die
benötigte
Temperaturbeständigkeit
und sind dennoch hinreichend weich und elastisch nachgiebig, um
im Betrieb hohen Komfort und Geräuscharmut
zu bieten.
-
Da
aufgrund der radialen Belastung im Betrieb vom Gelenkkopf 3 radial
auswärts
weisende Kräfte
auf die umfangsseitigen Wandungen 8 der Gelenkschale 4 wirken,
so dass diese demgegenüber ausweichend
die Tendenz zeigen, in axiale Richtung zu fließen, insbesondere bei hoher
Belastung und/oder hohen Temperaturen, umfasst die Gelenkschale 4 zumindest
eine deren axiale Verformung hemmende Armierung 9. Diese
kann unterschiedlich ausgebildet sein.
-
Die
Armierung 9 ist in das Kunststoffmaterial der Gelenkschale 4 integral
eingebettet. Beispielsweise bei einer Ausbildung der Armierung 9 durch einzelne
Fäden 9g können diese
mit ihren axialen Enden bündig
mit der Gelenkschale 4 enden, so dass diese Enden von außen sichtbar
sind.
-
Die
Armierung 9 sichert auch, die im Betrieb auftretenden axialen
und/oder radialen Kräfte
abfangen zu können
und einen spiel- und klapperfreien Betrieb zu gewährleisten.
Damit kann gleichzeitig der gewünschte
lenk- und kippbewegliche Sitz des Kopfbereichs 3 in der
Gelenkschale 4 gewährleistet
sein und diese andererseits axial gegenüber dem Gehäuse 5 verschieblich
bleiben. Mit der Armierung 9 ist auch eine Vorspannung
in die Gelenkschale 4 eintragbar, die über die Lebensdauer zumindest
nahezu konstant bleibt.
-
In
der Darstellung nach 1 ist die Armierung 9 als
ein im Querschnitt C-förmiger
und in sich formstabiler Ring 9a ausgebildet (3, 7).
Dieser Ring ist aus einem ist radial nach innen und außen wie
auch axial von dem Kunststoffmaterial der Gelenkschale 4 umschlossen,
wie beispielsweise 8 zu entnehmen ist, und bildet
somit eine – hier einstückige – Einlage.
Auch eine mehrstückige
Einlage ist möglich
und beispielsweise mit den Ringhalbschalen 9b in 5 gezeigt.
-
In
beiden Fällen
ist die Einlage 9a, 9b aus einem gegenüber dem
umgebenden Material der Gelenkschale 4 härteren Werkstoff
gebildet, beispielsweise aus Stahl.
-
Die
Armierung 9 nimmt hier deutlich mehr als 80% der axialen
Erstreckung der Gelenkschale 4 ein, hier etwa 95%. Sie
weist Hinterschneidungen oder Durchbrechungen 10 aus, die
ebenfalls von dem Kunststoffmaterial der Gelenkschale 4 durchdrungen sind,
um damit eine intensive Einbettung und Halterung der Armierung 9 sicherzustellen.
-
In
einem alternativen Ausführungsbeispiel nach 4 bildet
die Armierung 9 einen ebenfalls vollständig eingebetteten Ringkörper 9c aus,
der wiederum lotrecht zur Achse steht. Dieser ist kronenförmig und
ist an dem der Durchtrittsöffnung 7 für den Gelenkzapfen 2 axial
abgewandten Bereich durchgehend und an dem der Durchtrittsöffnung für den Gelenkzapfen
axial zugewandten Bereich mit mehreren hier schlitzförmigen Ausnehmungen 11 versehen,
um dadurch einzelne Spreizflügel
zu schaffen.
-
Alternativ
könnten
die formstabilen Einlagen 9a, 9b, 9c auch
aus Kunststoff gebildet und mit dem sie umgebenden Kunststoff der
Gelenkschale koextrudiert sein, so dass die Fertigung beschleunigt
und vereinfacht ist.
-
Die
ringförmige
Armierung 9a, 9b, 9c ist zumindest außerhalb
ihrer axialen Endbereiche – hier durchgehend – mit gleichmäßiger Dicke
ohne einen geschwächten
Bereich ausgebildet.
-
In
den 9 und 10 sind alternativ weitere in
die Gelenkschale 4 eingebettete formstabile Ringkörper 9d, 9e als
Armierung 9 dargestellt. Beide sind an die Krümmung der
Grenzfläche
der Gelenkschale 4 zum Gelenkkopf 3 angepasst.
Der Ringkörper 9d umfasst
wie die vorher beschriebenen 9a, 9b, 9c einstückig angeformte
und im Wesentlichen senkrecht zur Gelenkachse A verlaufende Barrieren 12 gegen
axiale Verformung. Diese Barrieren 12 sind bei den Ringkörpern 9a, 9b, 9c als
einwärts
zur Gelenkachse weisende und von dieser durchdrungene Kragenbereiche
der Armierung 9 ausgebildet. Bei dem gekrümmten Ringkörper 9d weisen
diese barrierebildenden Kragenbereiche 12 hingegen von
der Achse A radial nach außen.
In beiden Fällen
nehmen sie etwa 10% des Durchmessers der Gelenkschale 4 ein.
-
Zusätzlich oder
alternativ kann die Armierung 9 auch mit einer axialen
Komponente verlaufende Fasern umfassen, wie dies in den 11 bis 13 angedeutet
ist.
-
In
der Ausbildung nach 9 sind die Fasern der Armierung 9 zu
einem Geflecht 9f miteinander verwoben und/oder verstrickt
und durchdringen die gesamte Gelenkschale 4 über ihren
axialen Verlauf.
-
Gemäß der Darstellung
nach 10 verlaufen die Fasern 9g parallel zur
Achse A und zueinander sowie beabstandet zueinander. In 13 ist
hingegen ein C-förmiger
Ringkörper 9h ähnlich dem
in 1 gebildet, jedoch nicht als formstabiler Stahlring,
sondern als Web- oder
Strickware, z. B. aus Glas-, Carbon- oder Nylonfasern.
-
Auch
eine Kombination von Faser- und Massivarmierung ist möglich.
-
Derartige
Gelenk- und/oder Lageranordnungen 1 können in erfindungsgemäßer Ausbildung
vorteilhaft insbesondere innerhalb von Fahrwerks- und/oder Lenkungsteilen
von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, auch zum Beispiel, um bauartbedingte Toleranzen
zwischen Lenker und Radträger
bei der Montage im Fahrzeug auszugleichen. Insbesondere können derartige
Gelenk- und/oder Lageranordnung 1 ein Loslager innerhalb
einer Federbeinachse eines Fahrzeugs mit zumindest angetriebenen
Vorderrädern
ausbildet, bei dem ein gefederter Radträger und ein die Lenkbarkeit
bewirkender, zweiter Träger
getrennt ausgebildet sind und der zweite Träger über ein Loslager mit axialer
Beweglichkeit an dem Radträger
gehalten ist.
-
- 1
- Gelenk-
oder Lageranordnung
- 2
- Zapfen
- 3
- Kopfbereich
- 4
- Gelenkschale
- 5
- Gehäuse
- 6
- Dichtungsmanschette
- 7
- Durchtrittsöffnung
- 8
- umfangsseitige
Wandungen
- 9
- Armierung
- 10
- Hinterschneidungen
oder Durchbrechungen
- 11
- Ausnehmungen
- 12
- Barrierebereiche
- A
- Achse