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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, das sich insbesondere zur Verwendung
im Fahrwerksbereich eines Kraftfahrzeugs eignet.
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Im
Stand der Technik sind zahlreiche Kugelgelenke für Kraftfahrzeuge
bekannt. Solche Kugelgelenke bestehen üblicherweise aus
einem Kugelzapfen, der in einer Gelenkschale aus Kunststoff beweglich
gelagert ist, einem Gehäuse und einem Abdichtsystem, das
vor Eindringen von Schmutz schützt und das Austreten von
Schmiermittel verhindert. Kugelzapfen und Gelenkschale werden in
axialer Richtung in das Gehäuse gefügt und mechanisch
mit dem Gehäuse verbunden. Durch die axiale Montagekraft wird
die Kunststoffschale im Gehäuse axial bzw. radial vorgespannt,
was für die Gelenkfunktion notwendig ist. In dieser Weise
können kundenspezifizierte Bewegungsmomente, Federwege
und vorgegebene Elastizitäten eingehalten werden.
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Die
Kugelgelenkschale wird zumeist durch Umformen einer Gehäusekante
(z. B. Rollierwalzen einer Walzkante) mechanisch mit dem Gehäuse
verbunden. Diese Walzkante wird entweder direkt auf die Gelenkschale
geformt oder auf einen Verschlussdeckel bzw. Verschlussring, der
die Abdichtung unterstützt und die mechanische Separationskraft
der Schale vom Gehäuse erhöht. Diese Schalenfüge- und
Gelenkverschlusstechnik ist seit vielen Jahren bewährt.
Jedoch unterliegt diese Technik dem Nachteil, dass eine Bearbeitung
der Gehäuse erforderlich ist. Hinzu tritt, dass das Verschlussverfahren
eine spezielle Rollierwalzmaschine erfordert, in Verbindung mit
einer entsprechenden Montagezeit für das Rollierwalzen.
Ein Kugelgelenk, bei dem die Walzkante des Verschlussdeckels rolliert
ist, ist in 25 dargestellt.
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Kugelgelenke
für Kraftfahrzeuge werden mittels eines Dichtungsbalges
bzw. einer Dichtungsmanschette gegen Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit
bzw. gegen Austreten von Gelenkfett geschützt. Hierbei
treten zwei Abdichtbereiche auf: Einerseits an der Verbindung des
Dichtungsbalges zum Gehäuse (Festsitz des Dichtungsbalges),
im folgenden als „gehäuseseitige Dichtung” bezeichnet, und
andererseits an der Verbindung des Dichtungsbalgs zum Kugelzapfen
(an der sich der Balg drehend auf dem Kugelzapfen bewegt), im folgenden
als „zapfenseitige Dichtung” bezeichnet. Bei den
heute üblichen Anwendungen kommen zur beidseitigen Befestigung
des Dichtungsbalgs am Gehäuse und am Kugelzapfen Spannringe
zum Einsatz, mittels der die gewünschte Dichtwirkung zwischen
Dichtungsbalg und Gehäuse bzw. Kugelzapfen erreicht wird. Diese
Kombination ist wegen der vergleichsweisen hohen Herstellungskosten
nachteilig.
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Die
Anbindung eines Dichtungsbalgs am Gehäuse erfolgt heute
standardmäßig über eine am Gehäuse
angebrachte Balgnut, in der der Dichtungsbalg konturkonform positioniert
wird. Eine solche Anbindung ist z. B. aus
DE 199 00 072 C2 bekannt
und in
26 in einer Querschnittsansicht
gezeigt. Der Anpressdruck, der für die Abdichtleistung
erforderlich ist, wird durch ein Spannmittel (in der Regel ein Spannring)
aufgebracht, um kundenspezifizierte Abdichtungstest zu erfüllen.
Die in
26 gezeigte Anbindung des Dichtungsbalgs
ist wegen des erforderlichen Spannrings und seiner Montage mit zusätzlichen
Kosten verbunden.
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Im
Stand der Technik sind alternativ zur Anbindung gemäß 26 weitere
Prinzipien bekannt, mit denen sich der Dichtungsbalg an dem Kugelzapfen
bzw. am Gehäuse positionieren lässt. 27 zeigt
eine Lösung mit im Dichtungsbalg integrierten Klemmringen,
die einen Festsitz des Dichtungsbalg auf dem Gehäuse bzw.
einen Dichtsitz an dem Kugelzapfen herstellen. 28 zeigt
eine Lösung mit einem außen am Dichtungsbalg aufgebrachten
Metallring, der durch Umformung kraftschlüssig mit dem Gehäuse
verbunden wird. Schließlich ist in 29 eine
Lösung mit einer spannmittelfreien gehäuseseitigen
Abdichtung gezeigt, die den Dichtungsbalg zwischen Gelenkschale
und Gehäuse einklemmt. Hierbei ist jedoch zwischen Dichtungsbalg
und Gelenkschale keine form- oder kraftschlüssige Verbindung vorgesehen,
so dass eine Vormontage von Dichtungsbalg und Gelenkschale nicht
möglich ist.
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Die
zapfenseitige Anbindung eines Dichtungsbalgs am Kugelzapfen erfolgt
herkömmlich über einen unteren Rand des Dichtungsbalgs,
genannt Balgmund, der in einer runden oder rechteckig ausgeführten
Balgnut am Kugelzapfen positioniert wird. In 30 bzw. 31 ist
eine runde bzw. rechteckig ausgeführte Balgnut eines Kugelzapfens
in einer Teil-Querschnittsansicht gezeigt, wobei der Balgmund konturkonform
zur Balgnut ausgeführt ist. Weiter ist es bekannt, dass
die Balgnut zwischen einer Kugelzapfenbundkante und dem Montagegegenkörper
ausgebildet sein kann, wie in der Querschnittsansicht von 32 gezeigt.
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Der
Anpressdruck, der für die Abdichtleistung des Dichtungsbalgs
erforderlich ist, wird zum einem durch einen Presssitz aufgebracht,
der durch ein Spannmittel (in der Regel ein Spannring, vgl. 30–32)
unterstützt wird. Nachteilig hierbei ist, dass der Spannring
und auch dessen Montage mit Kosten verbunden sind. Alternativ hierzu
sind auch spannmittelfreie zapfenseitige Abdichtungen bekannt, wie
in 33 gezeigt. Solche Systeme unterliegen jedoch
den Nachteilen, dass sie bei stark ausgeführtem Presssitz
zu einem Verdrillen des Balges bei Drehung und einer folgenden Balgzerstörung führen
können, oder bei geringerem Presssitz eine nicht ausreichende
Abdichtleistung zur Folge haben.
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In
den
34–
36 sind
weitere Kugelgelenke nach dem Stand der Technik dargestellt.
34 zeigt
ein Kugelgelenk für eine aus GFK hergestellte Stabilisatorstrebe,
bei der eine Gelenkschale in Form einer Kunststoffschale mit dem
GFK-Gehäuse mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssig verbunden
ist. Weiterhin sind Gelenkschalen in Form von Kunststoffschalen
bekannt, die ausschließlich über geeignete Schnapphaken
im Gehäuse befestigt werden (
35), oder
bei denen ein zusätzlicher Clip mechanisch mit den Schnapphaken
verrastet wird (
36). Die in
35 gezeigte
Kunststoffschale ist z. B. aus
DE 198 23 781 C5 bekannt. Die in
36 gezeigte
Kunststoffschale ist z. B. aus
US 5,676,485 bekannt.
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Gelenkeinrichtungen,
insbesondere Kugelgelenke, können durch einen Strebenkörper
mechanisch miteinander verbunden sein. Hierbei ist an beiden Enden
eines solchen Strebenkörpers jeweils ein Kugelgelenk angebracht,
wodurch zum Beispiel in einer Fahrwerksaufhängung eines
Kraftfahrzeugs eine Gelenkverbindung zwischen zwei Punkten erzielt wird.
Typische Anwendungen sind Stabilisatorstreben, die eine Verbindung
zwischen Stabilisator und Radaufhängung bilden. Solche
Streben werden auf Zug und Druck belastet und bestehen überwiegend aus
Stahlstangen mit angeschweißten Gelenkgehäusen,
Aluminiumschmiede- bzw. Druckgusskörpern oder Kunststoff
mit Glasfaserverstärkung. Die Orientierung der Kugelgelenkzapfen
und die Lastanforderungen sind jeweils kundenspezifisch, wobei eine
Minimierung von Kosten und Gewicht bei maximaler Kraftübertragung
angestrebt wird.
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Herkömmliche
Stahlausführungen (37) für
den vorstehend genannten Strebenkörper sind kostenintensiv
und bestehen aus Vollstabmaterial mit kreisrundem Querschnitt und
einem angeschweißtem Gelenkgehäuse. Sie erfordern
eine hohe Fertigungstiefe auf Grund mechanischer Bearbeitung, des
Schweißprozesses und der Beschichtung. Weitere Nachteile
solcher Stahlstreben sind eine eingeschränkte Formgebung
und ein relativ hohes Gewicht.
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Im
Stand der Technik sind Strebenkörper ebenfalls in Kunststoffausführung
bekannt (38), die kostengünstig
sind und eine im Rahmen der Fertigungsbeschränkungen (z.
B. Entformung) freie Formgebung besitzen. Das Grundmaterial ist
leichter und die gesamte Struktur kann auf die Lastanforderungen
(Zug-Drucklast) angepasst werden. Nachteilig sind ein deutlich höherer
Bauraumbedarf (Durchmesser des Querschnittsprofils), geringere Struktursteifigkeit,
sowie ein starker Einfluss durch hohe oder niedrige Temperaturen
auf die Strukturfestigkeit.
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Des
Weiteren sind Strebenkörper in Aluminiumausführung
bekannt, die zu den Kunststoffstreben vergleichbare Fertigungsbeschränkungen
bzw. -optionen aufweisen. Vorteile sind das geringe Gewicht und
die im Rahmen der Betriebstemperaturen unbeeinflusste Strukturfestigkeit.
Die Struktursteifigkeit liegt deutlich über dem Kunststoffniveau,
erreicht aber nicht die Werte einer Stahlausführung.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kugelgelenk zu schaffen,
das sich kostengünstig und unter Verkürzung der
Montagezeit herstellen lässt und eine hohe Betriebssicherheit
gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Lagervorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Kugelgelenk umfasst ein Gelenkgehäuse
mit einer Ausnehmung, einen Kugelzapfen mit einem Kugelkopf, und
einen Dichtungsbalg mit einem gehäuseseitigen Dichtungssitz
und einem zapfenseitigen Dichtungssitz in Form eines Balgmundes,
der in Kontakt mit dem Kugelzapfen gebracht werden kann, wobei ein
Balgkörper des Dichtungsbalgs sich zwischen dem gehäuseseitigen
Dichtungssitz und dem Balgmund erstreckt. Das Kugelgelenk umfasst
weiter eine Gelenkschale, wobei der Kugelkopf schwenkbeweglich innerhalb der
Gelenkschale aufgenommen und die Gelenkschale in der Ausnehmung
des Gelenkgehäuses eingesetzt sind. Ein solches Kugelgelenk
ist modular aufgebaut, wobei es in wenigen Schritten vollständig montiert
werden kann.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann an einer dem Kugelkopf
entgegengesetzten Aussenseite der Gelenkschale zumindest ein Verrastungselement
vorgesehen sein, das mit einem Rand der Asunehmung des Gelenkgehäuses
zusammenwirkt. Des Weiteren ist ein Sicherungselement vorgesehen,
das im montierten Zustand des Kugelgelenks in Kontakt mit einer
Innenumfangsfläche des Verrastungselements ist, so dass
dadurch das Verrastungselement in Eingriff mit dem Rand der Ausnehmung des
Gelenkgehäuses gehalten und somit die Gelenkschale gegen
ein Verlieren aus der Ausnehmung des Gelenkgehäuses gesichert
ist. Das Sicherungselement ist mit der Gelenkschale in deren Polbereich verbunden
bzw. daran befestigt.
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Das
Sicherungselement stellt einen Sicherungs-Clip dar, der formschlüssig
und/oder stoffschlüssig mit der Gelenkschale verbunden
ist. Durch diese Verbindung des Sicherungselements mit der Gelenkschale
ist gewährleistet, dass das zumindest eine Verrastungselement
betriebssicher in Eingriff mit dem Rand der Ausnehmung des Gelenkgehäuses gehalten
wird, so dass ein unbeabsichtigtes Herauslösen der Gelenkschale
aus dem Gelenkgehäuse des Kugelgelenks nicht möglich
ist. Durch die Verbindung des Sicherungselements mit der Gelenkschale in
deren Polbereich können eventuelle Toleranzen des Verrastungselements,
die ansonsten zu einem Lösen des Sicherungselements von
dem Verrastungselement führen könnten, ausgeglichen
werden. Ein weiterer Vorteil der Verbindung des Sicherungselements
mit der Gelenkschale besteht in einer deutlichen Erhöhung
der Separationskräfte der Gelenkschale aus dem Gelenkgehäuse.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Gelenkschale
einstückig aus Kunststoff hergestellt sein. Dies führt
zu niedrigen Herstellungskosten und erlaubt einen hohen Integrationsgrad,
wobei das Verrastungselement an die Gelenkschale angespritzt sein
kann.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Gelenkschale
eine geschlossene Mantelfläche aufweisen, insbesondere
in ihrem Polbereich, in dem die Gelenkschale mit dem Sicherungselement verbunden
ist. Die geschlossene Mantelfläche wirkt sich vorteilhaft
auf die Dichtigkeit der Gelenkschale in ihrem Polbereich aus. Bei
der Montage des Kugelgelenks ist ein Einknöpfen des Kugelkopfs
eines Kugelzapfens in die Gelenkschale durch ihre elastischen Eigenschaften
sichergestellt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Gelenkschale
im Polbereich einen abragenden Befestigungsstift aufweisen, der
mit einer Ausnehmung des Sicherungselements in Eingriff gebracht
werden können. Das Zusammenwirken dieses Befestigungsstifts
mit der Ausnehmung gewährleistet einen stets zentrischen
Sitz des Sicherungselements im Polbereich der Gelenkschale und erleichtert
wesentlich den Montagevorgang für ein Kugelgelenk.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Befestigungsstift
als Schnapphaken ausgebildet sein, der mit der Ausnehmung des Sicherungselements
im montierten Zustand des Kugelgelenks verrastet ist. Das Sicherungselement
ist mit einer entsprechenden Negativ-Kontur zum Schnapphaken ausgeführt.
Der Schnapphaken verrastet das Sicherungselement in Form des Clips
in seiner Position, wobei der Clip über seinen Außenrand
das zumindest eine Verrastungselement der Gelenkschale in seiner
Gehäusemontageposition an den Rand der Ausnehmung des Gelenkgehäuses
verspannt. Die Ausbildung des Befestigungsstifts als Schnapphaken ist
insoweit vorteilhaft, als dass nach dem Verrasten mit dem Sicherungselement
keine weitere Nachbearbeitung erforderlich ist.
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In
vorteilhafter alternativer Ausführungsform der Erfindung
kann der Befestigungsstift nach einer Montage des Sicherungselements
an seinem freien Ende derart umgeformt werden, dass das Sicherungselement
in seiner Position formschlüssig gesichert ist. Hierbei
wird zunächst das Sicherungselement mit seiner Ausnehmung über
den Befestigungsstift geführt, wobei eine anschließende
Warm- oder Kaltumformung des freien Endes des Befestigungsstifts
das Sicherungselement formschlüssig in seiner Position
sichert. Zweckmäßigerweise kann hierbei der Befestigungsstift
als Hohlzylinder ausgebildet sein, was die Umformung seines freien
Endes erleichtert. Ergänzend und/oder alternativ kann der
Befestigungsstift mit der Ausnehmung des Sicherungselements auch
stoffschlüssig verbunden sein. Diese stoffschlüssige
Verbindung kann zum Beispiel mittels Ultraschallschweißen
oder Kleben hergestellt werden. Zusätzlich ist es möglich,
den Außenrand des Sicherungselements stoffschlüssig
mit einer Innenumfangsfläche des Verrastungselements stoffschlüssig
zu verbinden, wozu sich ebenfalls das Ultraschallschweißen
oder Kleben eignet.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Sicherungselement
als Polkappe ausgebildet sein, die mit ihrer Kontur an den Polbereich
der Gelenkschale angepasst ist. Einerseits erleichtert dies den
Montagevorgang des Sicherungselements mit der Gelenkschale, andererseits
ist dadurch ein gleichmäßiges Zusammenwirken bzw.
Abstützen einer Mehrzahl von Verrastungselementen, die
entlang des Umfangs der Gelenkschale angeordnete sein können,
sichergestellt.
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Die
Vorteile der vorstehend genannten Varianten des Kugelgelenks sind:
- – keine mechanische Bearbeitung des
Gelenkgehäuses notwendig,
- – wesentliche Vereinfachung des Montageprozesses, da
eine Umformung des Gelenkgehäuses entfällt und
die Montagezeit verkürzt werden kann,
- – keine Veränderung des Korrosionsschutzes durch
Umformprozesse (zum Beispiel Abplatzen von Oberflächenbeschichtungen),
- – Montage der Gelenkschale in verschiedenen Gehäusematerialien
möglich (zum Beispiel Stahl, GFK, Aluminium), und
- – Erfüllung kundenspezifizierter Lastenhefte
bezüglich Abdichtung, Gelenkfunktionen und mechanischer
Festigkeiten und Separationskräfte.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Gelenkschale
einen Halteflansch aufweisen, wobei der Dichtungsbalg an diesem
Halteflansch befestigt ist. Dies bietet den Vorteil, vor der Montage
der Gelenkschale in das Gelenkgehäuse eine Unterbaugruppe,
bestehend aus Gelenkschale und Dichtungsbalg, zu bilden. Zweckmäßigerweise wird
diese Unterbaugruppe dadurch erzeugt, dass der Dichtungsbalg an
dem Halteflansch der Gelenkschale formschlüssig und/oder
kraftschlüssig befestigt wird. Durch diese Befestigung
des Dichtungsbalgs an dem Halteflansch wird der Montageprozess zur
Herstellung des Kugelgelenks wesentlich vereinfacht und preiswerter,
da die genannte Unterbaugruppe bereits im Vorfeld vorbereitet werden
kann, und dadurch in Bezug auf Gelenkschale und Dichtungsbalg ein
separates Handling bzw. ein aufwändiges Montieren enthält.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Halteflansch
radial umlaufend ausgebildet sein. Dies gewährleistet eine
sehr zuverlässige Anbindung des Dichtungsbalgs an den Halteflansch.
Alternativ ist es auch möglich, den Halteflansch in mehreren
voneinander getrennten Segmenten auszubilden, wodurch die Elastizität
der Gelenkschale und damit ein Einknöpfen des Kugelkopfes
des Kugelzapfens erleichtert wird.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann an dem Halteflansch
eine Erhebung und in einem Randbereich des Dichtungsbalgs eine Aussparung
ausgebildet sein, wobei die Aussparung des Dichtungsbalgs und die
Erhebung des Halteflansches miteinander verknüpft sind.
Insbesondere dann, wenn die Erhebung eine Hinterschneidung aufweist,
ist durch die genannte Verknüpfung der Aussparung mit der
Erhebung eine formschlüssige Verbindung zwischen Dichtungsbalg
und Halteflansch gegeben. Zweckmäßigerweise kann
die Hinterschneidung der Erhebung kugelig, ballig oder winkelig
ausgeführt sein. Da der Dichtungsbalg üblicherweise
aus einem gummielastischen Material hergestellt ist, ist es ohne
weiteres möglich, die Aussparung des Dichtungsbalgs in
Eingriff mit der Erhebung des Halteflansches zu bringen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Erhebung in gleicher
Weise wie der Halteflansch und in Übereinstimmung mit diesem
in Segmenten ausgebildet sein. Dies bietet Vorteile für
die Herstellbarkeit der Gelenkschale dank einer besseren bzw. einfacheren
Entformbarkeit aus dem Werkzeug, insbesondere dann, wenn die Erhebung
eine Hinterschneidung aufweist. Abweichend hiervon ist es auch möglich,
dass allein die Erhebung in segmentartigen Abschnitten ausgebildet
ist, wodurch in gleicher Weise eine vereinfachte Entformbarkeit
aus dem Werkzeug gewährleistet ist.
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Ergänzend
oder alternativ zu der genannten formschlüssigen Verbindung
ist es des Weiteren möglich, den Dichtungsbalg mit dem
Halteflansch form- bzw. stoffschlüssig zu verbinden. Dies
kann geeignet durch Verwendung eines Klebstoffs und/oder durch Erzeugen
einer stoffschlüssigen Verbindung erfolgen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Dichtungsbalg
an einer Seite entgegengesetzt zur Aussparung eine Anlagefläche
aufweisen, an der eine Dichtlamellenstruktur ausgebildet ist. Bei vollständig
montiertem Kugelgelenk wird diese Anlagefläche des Dichtungsbalgs
gegen eine Gehäusefläche gepresst, woraus eine
ausgezeichnete gehäuseseitige Gelenkabdichtung des montierten
Kugelgelenks resultiert.
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Die
Vorteile der vorstehend genannten Varianten des Kugelgelenks unter
Verwendung der Unterbaugaugruppe sind:
- – form-
und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen Dichtungsbalg
und Gelenkschale, was die Bildung einer vormontierten Unterbaugruppe
ermöglicht,
- – Entfall eines zusätzlichen gehäuseseitigen Spannmittels,
- – Erfüllung der Abdichtbedingungen kundenspezifizierter
Lastenhefte, und
- – Kostensenkung gegenüber herkömmlichen
Abdichtsystemen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Balgmund bei
verschiedenen Winkelstellungen des Kugelzapfens bezüglich
einer Längsachse des Kugelgelenks mit im Wesentlichen konstantem Anpressdruck
mit dem Kugelzapfen dichtend in Anlage gebracht werden. Dies verhindert
ein unzulässiges Abheben des Balgmundes von dem Kugelzapfen und
somit ein Eindringen von Feuchtigkeit, Schmutz oder dergleichen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein ausreichender Anpressdruck,
mit dem der zapfenseitige Dichtungssitz des Dichtungsbalgs an den
Kugelzapfen gedrückt wird, auch dann gewährleistet
ist, wenn kein Spannmittel für den Dichtungsbalg vorgesehen
ist. Somit kann ein sonst üblicher zapfenseitiger Spannring
entfallen. Des Weiteren ist stets eine sichere Positionierung des
Balgmundes an dem Kugelzapfen bzw. in einer Nut desselben sichergestellt,
nämlich sowohl bei der Montage des Kugelgelenks als auch
in dessen Betrieb, wenn der Kugelzapfen Schwenkbewegungen bezüglich
einer Längsachse des Kugelgelenks ausführt und/oder
rotatorisch verdreht wird.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Anlagefläche
des Balgmundes im entlasteten Zustand konkav ausgebildet, so dass
sich bei montiertem Kugelgelenk eine federnde Kontaktanlage des
Balgmundes mit dem Kugelzapfen ergibt. Bei großen Bewegungs-
bzw. Verschwenkwinkeln des Kugelzapfens kommt es zu Kompressions-
und Dekompressionswirkungen des Balgmundpresssitzes infolge von
Zug- und Druckkräften im Balgkörper. Die genannte
Federwirkung der Anlagefläche des Balgmundes wirkt diesen
Störgrößen ausgleichend entgegen, so
dass im Vergleich zu einem Standardbalgmund eine Anpresskraft und
Dichtleistung über einen größeren Kraftbereich
sichergestellt ist.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Balgkörper
in einem Bereich entgegengesetzt zur Anlagefläche mit dem
Kugelzapfen eine axiale Abstreiflippe aufweisen. Eine solche Abstreiflippe verhindert
in erster Näherung das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit
in das Innere des Kugelgelenks.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind der Balgkörper
und der Balgmund derart miteinander verbunden, dass eine Kraft-
und Bewegungsübertragung zwischen diesen beiden Elementen
zumindest vermindert ist. Dies führt dazu, dass eine Kraft
bzw. eine Bewegung in zumindest reduziertem Maße von dem
Balgkörper auf den Balgmund übertragen werden.
Zweckmäßigerweise kann eine solche Verbindung
zwischen Balgkörper und Balgmund dadurch geschaffen werden,
dass der Balgkörper an dem Balgmund im Wesentlichen im
Bereich dessen axialer Mitte angebracht ist. Dies führt
bei einer Zugkraft im Balgkörper zu einer reduzierten Kraft
in dem Balgmund und damit zu einer gleichmäßigen
Reduzierung der Anpresskraft des Balgmundes über seine axiale
Höhe, ohne dass es dabei – auch bei großen Bewegungs-
bzw. Verschwenkwinkeln des Kugelzapfens – zu einer einseitigen
Ablösung des Balgmundes vom Kugelzapfen kommt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann ein Übergangsbereich
zwischen dem Balgkörper und dem Balgmund einen verminderten
Querschnitt aufweisen. Hierdurch wird die Verminderung der Kraft-
und Bewegungsübertragung zwischen Balgkörper und
Balgmund erzielt. Die gleiche Wirkung kann dadurch erzielt werden,
wenn der Balgkörper zumindest eine Einkerbung aufweist.
Eine solche Einkerbung erfüllt die Funktion einer Nut und
reduziert ebenfalls die Kraft- und Bewegungsübertragung des
Balgkörpers auf den Balgmund. Anders ausgedrückt,
werden infolge dessen die Zugkräfte, die durch eine Bewegung
des Balgkörpers entstehen, nur in reduziertem Maße
auf den Balgmund übertragen, so dass die Anpresskraft,
mit der der Balgmund an den Kugelzapfen gedrückt wird,
gleichmäßig über die Balgmundhöhe
verteilt bleibt. Die Wirkung einer solchen Einkerbung wird weiter
dadurch verbessert, dass sie beidseitig in dem Balgkörper
ausgebildet ist. Eine noch weitere Verbesserung wird dadurch erreicht,
dass der Balgkörper eine Mehrzahl von Einkerbungen aufweist,
die nach Art einer Reihenschaltung hintereinander bzw. angrenzend
zueinander vorgesehen sind. Hierdurch wird die gewünschte Verminderung
der Kraft- und Bewegungsübertragung des Balgmundes auf
den Balgkörper nochmals verbessert.
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In
vorteilhaftere Weiterbildung der Erfindung kann die zumindest eine
Einkerbung radial außerhalb der Querschnittsverminderung
zwischen Balgmund und Balgkörper vorgesehen sein. Dies
führt vorteilhaft zu einer Überlagerung der Wirkung
der Einkerbung und der Querschnittsverminderung und somit im Ergebnis
zu einer weiter verbesserten Verminderung der Kraft- und Bewegungsübertragung
zwischen Balgkörper und Balgmund.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Balgkörper
zumindest eine radiale Falte aufweisen. Hierunter ist zu verstehen,
dass der Balgkörper in axialer Richtung mehrere Segmente
mit verschiedenem Durchmesser aufweist. Bei Schwenk- bzw. Kippbewegungen
des Kugelzapfens um seine Längsachse hat dies den Vorteil,
dass der Balgkörper genügend ”Reserven” aufweist,
so dass die auf dem Balgmund wirkenden Zugspannungen ein bestimmtes
Maß nicht überschreiten. Alternativ und/oder ergänzend
kann der Balgkörper auch zumindest eine axiale Falte aufweisen.
Hierunter ist zu verstehen, dass der Balgkörper in radialer
Richtung mehrere Segmente mit unterschiedlicher axialer Höhe
aufweist. Die Wirkung einer solchen axialen Falte ist die gleiche
wie bei der vorstehend genannten radialen Falte, nämlich
eine Verminderung der auf den Balgmund wirkenden Zugspannung.
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Die
Vorteile der vorstehend genannten Varianten des Kugelgelenks unter
Verwendung des Dichtungsbalgs sind:
- – Nahezu
konstanter Anpressdruck des Balgmundes am Kugelzapfen, auch bei
großen Bewegungswinkeln des Kugelgelenks,
- – Die Abdichtung zwischen Balgmund und Kugelzapfen
ist auch ohne Spannring gewährleistet,
- – Sichere Positionierung des Balgmunds in einer Kugelzapfen-Nut,
nämlich sowohl während einer Montage des Kugelgelenks
als auch in dessen Betrieb, insbesondere bei großen Gelenkbewegungen,
- – Kostensenkung gegenüber herkömmlichen
Abdichtbalgsystemen.
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Das
erfindungsgemäße Kugelgelenk lässt sich
zu einem System bestehend aus zwei Kugelgelenken zusammenfassen,
wobei diese beiden Kugelgelenke mechanisch miteinander durch einen
Strebenkörper verbunden sind. Ein solcher Strebenkörper
weist einen Profilquerschnitt auf, der innerhalb eines Hüllkreises
angeordnet ist, und eine Vertikalachse und eine Horizontalachse
aufweist, wobei innerhalb der Horizontalachse eine erste Anzahl
von Erhebungen und unterhalb der Horizontalachse eine zweite Anzahl
von Erhebungen ausgebildet sind, wobei die erste Anzahl größer
als die zweite Anzahl ist. Ein solcher Strebenkörper bewirkt
ein optimales Verhältnis zwischen Struktursteifigkeit und
minimalem Gewicht, auf Grundlage eines geringen Querschnittsprofildurchmessers
und einer maximalen Kraftübertragung in Stablängsrichtung
ohne plastische Deformation. Des Weiteren lässt sich ein
solcher Strebenkörper einfach und günstig infolge
einer geringen Fertigungstiefe herstellen, wobei keine Nachbearbeitung
erforderlich ist. Überdies zeichnet sich ein solcher Strebenkörper
durch eine ausgezeichnete statische und dynamische Struktursteifigkeit
bei allen Betriebstemperaturen aus. Insoweit stellt ein solcher Strebenkörper
eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen den beiden
Kugelgelenken dar.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Strebenkörper
oberhalb seiner Horizontalachse drei Erhebungen und unterhalb seiner
Horizontalachse zwei Erhebungen aufweisen. Hierdurch ist der genannte
kompakte Querschnittprofildurchmesser gewährleistet mit
gleichzeitig ausgezeichneter Festigkeit. Alternativ hierzu ist es
auch möglich, dass oberhalb der Horizontalachse mehr oder
weniger als drei Erhebungen ausgebildet sind. Gleiches gilt auch
für den Bereich unterhalb der Horizontalachse, in dem mehr
oder weniger als zwei Erhebungen ausgebildet sein können.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Profilquerschnitt
des Strebenkörpers bezüglich seiner Vertikalachse
symmetrisch ausgebildet sein. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die
strukturmechanischen Eigenschaften aus.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Profilquerschnitt
des Strebenkörpers entlang seiner Länge im Wesentlichen
konstant ausgebildet sein. In Abhängigkeit vom jeweiligen
Einsatzzweck kann dies den auftretenden Belastungen vollauf genügen,
wobei der Herstellungsprozess durch den konstanten Querschnitt vereinfacht
ist. Alternativ kann der Profilquerschnitt entlang einer Längserstreckung
des Strebenkörpers auch veränderlich ausgeführt
sein, so dass eine Krümmung des Strebenkörpers
aufgrund des veränderlichen Biegemomentverlaufs bei Druckbelastung
und entsprechend die Druckbeständigkeit bezüglich
Knicken optimiert wird. Des Weiteren kann der Strebenkörper
entlang seiner Länge verschiedene Abschnitte aufweisen,
die sowohl einen konstanten Profilquerschnitt als auch einen veränderlichen
Profilquerschnitt aufweisen. Dies bietet Vorteile bezüglich
der Optimierung der mechanischen Eigenschaften des Strebenkörpers
für einen spezifischen Lastfall.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Flächenschwerpunkt
des Strebenkörpers bezüglich seiner Position zur
Horizontalachse konstant oder auch veränderlich sein. Durch
eine geänderte Position des Flächenschwerpunkts
bezüglich der Horizontalachse lässt sich die Biegelinie
des Strebenkörpers bei einer Druckbelastung optimal gestalten.
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Aufgrund
der verschiedenen Erhebungen des Strebenkörpers, die innerhalb
des Hüllkreises vorgesehen sind, ergibt sich zumindest
eine so genannte Profilsenke an der Außenumfangsfläche
des Strebenkörpers. Eine solche Profilsenke kann entweder
geschlossen ausgebildet sein, wodurch der Herstellungsprozess vereinfacht
ist. Alternativ kann diese Profilsenke auch durch Rippen versteift
sein, was zu einer verbesserten Struktursteifigkeit des Strebenkörpers führt.
Anders ausgedrückt, kann der Strebenkörper an
seiner Aussenumfangsfläche und innerhalb des Hüllkreises
mit zumindest einer Rippe versehen sein, die vorzugsweise im Bereich
der Profilsenke ausgebildet ist.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist an zumindest einem
freien Ende des Strebenkörpers ein Übergangsbereich
vorgesehen, der einen Anbindungsbereich für einen Kinematikpunkt
bildet. Ein solcher Kinematikpunkt ist dahingehend zu verstehen,
dass hierdurch eine Montage bzw. Anbindung eines weiteren Bauteils
möglich ist, z. B. eine Gelenkeinrichtung in Form eines
Kugelgelenks, eines Elastomergelenks oder dergleichen.
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Zweckmäßigerweise
ist dieser Übergangsbereich in Form eines zylindrischen
Abschnitts ausgebildet, so dass die Winkelstellung dieses Anbindungsbereichs
von dem Profilquerschnitt des Strebenkörpers entkoppelt
sein kann.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann an beiden freien
Enden des Strebenkörpers jeweils ein Übergangsbereich
in Form eines zylindrischen Abschnitts ausgebildet sein. Aufgrund
der zylindrischen Ausbildung der beiden Übergangsbereiche
lässt sich deren Winkelstellung relativ zueinander unter
Berücksichtigung der Entformungsrichtung des Strebenprofils
definiert ausgestalten, so dass die Anbindungsbereiche an beiden
Enden des Strebenkörpers relativ zueinander einen Winkel
zwischen 0° und 180° einschließen können.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Strebenkörper
im Druckguss-Verfahren, zum Beispiel Aluminium-Druckguss, hergestellt
werden. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung
einschließlich aller geometrischen Detailkonturen, ohne
dass eine mechanische Nachbearbeitung oder Beschichtung erforderlich
ist. Das Druckguss-Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass sich damit
die Bildung von Lufteinschlüssen bzw. Lunkern während
des Gießprozesses verhindern oder zumindest vermindern
lassen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kommt der Strebenkörper
insbesondere im Fahrzeugbau zum Einsatz, insbesondere bei Fahrwerkskomponenten,
zum Beispiel als Stabilisatorstrebe oder dergleichen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand einer Ausführungsform
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme
auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks
in seinem vollständig montierten Zustand,
-
2 eine
perspektivische Ansicht einer Gelenkschale für das Kugelgelenk
von 1,
-
3 eine
Teil-Querschnittsansicht der Gelenkschale von 2,
im zusammengebauten Zustand des Kugelgelenks,
-
4 eine
Teil-Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform
für eine Gelenkschale,
-
5 eine
Teil-Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform
für eine Gelenkschale,
-
6 eine
Querschnittsansicht der Gelenkschale von 2,
-
7 eine
Querschnittsansicht eines Dichtungsbalgs,
-
8 eine
Querschnittsansicht einer Lagerungs- und Dichtungsbaugruppe zur
Verwendung für ein Kugelgelenk von 1, wobei
der Dichtungsbalg von 7 an einem Halteflansch der
Gelenkschale von 6 befestigt ist,
-
9 den
Bereich I von 8 in einer vergrößerten
Ansicht,
-
10 prinzipiell
vereinfachte Darstellungen für ein Verknüpfen
des Dichtungsbalgs von 7 mit dem Halteflansch der Gelenkschale
von 6,
-
11–13 Perspektivansichten
von weiteren Ausführungsformen einer Gelenkschale,
-
14 eine
weitere Querschnittsansicht des Dichtungsbalgs von 7,
-
15 den
Bereich I von 14 in vergrößerter
Darstellung,
-
16 eine
Querschnittsansicht eines Teils eines Dichtungsbalgs nach einer
weiteren Ausführungsform,
-
17 den
Bereich II von 16 in vergrößerter
Darstellung,
-
18 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer Dichtungsbalgs nach einer
weiteren Ausführungsform,
-
19 eine
Querschnittsansicht eines Kugelgelenks mit einem Dichtungsbalg nach
einer weiteren Ausführungsform,
-
20 eine
Querschnittsansicht eines Strebenkörpers in einer Ebene
im Wesentlichen orthogonal zu seiner Längsachse,
-
21 eine
Perspektivansicht des Strebenkörpers von 20,
-
22 eine
Perspektivansicht des Strebenkörpers von 21,
bei dem an beiden freien Enden jeweils ein Kugelgelenk gemäß 1 montiert
ist,
-
23 den
Bereich I von 2 in vergrößerter
Darstellung,
-
24 den
Strebenkörper von 22 in
einer Stirnansicht, wobei die Kugelzapfen der beiden Kugelgelenke
relativ zueinander einen Winkel von 90° einschließen,
und
-
25–38 jeweils
Kugelgelenke bzw. Einzelteile davon nach dem Stand der Technik.
-
1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk 1 in
vollständig montiertem Zustand, wobei nachstehend dessen
wesentliche Funktionselemente im Einzelnen genannt und erläutert
sind.
-
Das
Kugelgelenk 1 umfasst ein Gehäuse 2, das
eine Ausnehmung 4 in Form einer Durchgangsöffnung
aufweist. Ein Kugelzapfen 6 ist mit seinem Kugelkopf 8 mittels
einer Gelenkschale 10 in der Ausnehmung 4 des
Gelenkgehäuses 2 eingerastet. Eine verliersichere
Positionierung der Gelenkschale 10 innerhalb der Ausnehmung 4 ist
durch geeignete Schnapphaken 12 sichergestellt, die mit
einem Rand 3 der Ausnehmung 4 verrastet sind.
-
Zur
Abdichtung des Kugelgelenks 1 ist ein Dichtungsbalg 42 vorgesehen,
der geeignet das Eindringen von Schmutz bzw. Feuchtigkeit in das
Innere des Kugelgelenks 1 verhindert. In gleicher Weise schließt
der Dichtungsbalg 42 das Austreten von Schmierfett oder
dergleichen aus dem Innern des Kugelgelenks 1 aus. Mittels
einer an seinem oberen Rand 43 ausgebildeten Aussparung 48 in
Form einer Nut ist der Dichtungsbalg 42 mit einem Halteflansch 40 der
Gelenkschale 10 verbunden bzw. verknüpft. Der
untere Rand des Dichtungsbalgs 42 in Form eines Balgmundes
ist dichtend in Kontaktanlage mit einer Balgnut 20 des
Kugelzapfens 6.
-
In
den nachfolgenden 2–19 sind einzelne
Bauelemente des Kugelgelenks 1 im Detail erläutert.
Gleichen Bauelemente wie im Vergleich zu 1 sind hierin
gleiche Bezugszeichen zugeordnet, denen ”100” bzw.
ein Mehrfaches davon jeweils vorangestellt ist.
-
2 zeigt
eine Lagervorrichtung 109 in einer perspektivischen Ansicht
von oben. Die Lagervorrichtung 109 umfasst die Gelenkschale 110,
die vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt ist und in ihrem Polbereich
eine geschlossene Mantelfläche aufweist. Am Randabschnitt
des Polbereichs sind an der Gelenkschale 110 eine Mehrzahl
von Verrastungselementen 112 in Form von Schnapphaken angeordnet.
Am Polbereich selbst weist die Gelenkschale einen abragenden Befestigungsstift 114 (in 2 vereinfacht
gezeigt) auf, dessen Funktion nachstehend noch erläutert
wird.
-
Die
Lagervorrichtung 109 bzw. die Gelenkschale 110 dienen
zur Lagerung eines Kugelzapfens in einem Gelenkgehäuse
eines Kugelgelenks. In 3 ist ein Teil eines solchen
Kugelgelenks 101 dargestellt. Der Kugelkopf 108 des
Kugelzapfens 106 ist schwenkbeweglich in der Gelenkschale 110 aufgenommen,
wobei die Gelenkschale in der Ausnehmung 104 des Gelenkgehäuses 102 eingesetzt
ist. Im montierten Zustand wirken die Hinterschneidungen der Schnapphaken 112 mit
einem Rand 103 der Ausnehmung 104 zusammen, wodurch
die Gelenkschale 110 in der Ausnehmung 104 gehalten
wird.
-
Die
Sicherung der Gelenkschale 110 innerhalb der Ausnehmung 104 des
Gelenkgehäuses 102 erfolgt durch ein Sicherungselement 116,
das zentrisch eine Ausnehmung 118 aufweist. Bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform ist der Befestigungsstift 114 als
Schnapphaken ausgebildet. Wenn das Sicherungselement 116 auf
den von außen zugänglichen Polbereich der Gelenkschale 110 aufgesetzt
wird, durchdringt der Befestigungsstift 114 zunächst
die Ausnehmung 118 des Sicherungselements 116,
bevor seine Hinterschneidungen geeignet mit einer Rastfläche 120,
die innerhalb der Ausnehmung 118 vorgesehen ist, verrastet.
In dieser Weise wird das Sicherungselement 116 formschlüssig
mit der Gelenkschale 110 in deren Polbereich verbunden.
Der Außendurchmesser des Sicherungselements 116 ist
dabei geeignet so gewählt, dass sein Außenrand
an einer Innenumfangsfläche der jeweiligen Schnapphaken 112 anliegt.
Dies führt dazu, dass bei montiertem Sicherungselement 116 die
Schnapphaken 112 sich nicht radial nach innen bewegen können,
was einen sicheren Klemmsitz mit dem Rand 103 der Ausnehmung 104 zur
Folge hat. Im Ergebnis ist damit die Gelenkschale 110 wirkungsvoll
innerhalb der Ausnehmung 104 positioniert und gegen ein Herauslösen
gesichert.
-
4 zeigt
eine Querschnittsansicht der Gelenkschale 110 nach einer
alternativen Ausführungsform, bei der der Befestigungsstift 114' verändert
in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist. Im ursprünglichen
Zustand weist dieser Hohlzylinder einen konstanten Durchmesser auf,
wobei seine axiale Länge geringfügig größer
als eine axiale Höhe h der Ausnehmung 118 des
Sicherungselements 116 gewählt ist. Wenn bei der
Montage des Kugelgelenks 101 das Sicherungselement 116 auf
den Polbereich der Gelenkschale 110 aufgesetzt wird, ragt
zunächst das freie Ende des Hohlzylinders 114' aus
der Ausnehmung 118 heraus. Anschließend wird dieses
freie Ende durch ein Warm- oder Kaltumformen nach außen
umgebördelt, so dass das Sicherungselement 118 durch den
umgeformten Randbereich des Hohlzylinders 114' formschlüssig
gehalten wird. Die Sicherungsfunktion des Sicherungselements 116 in Form
des Anliegens seines Außenrandes an der Innenumfangsfläche
der Schnapphaken 112 entspricht der Ausführungsform
von 3, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen darauf
verwiesen wird.
-
5 zeigt
eine Teil-Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform
der Gelenkschale 110, bei der der Befestigungsstift 114'' geändert
in Form eines Zylinderstumpfes ausgebildet wird. Bei der Montage
des Kugelgelenks 101 wird das Sicherungselement 116 auf
den Polbereich der Gelenkschale 110 aufgesetzt, wobei der
Zylinderstumpf 114'' in Eingriff mit der Ausnehmung 118 gelangt.
Das Befestigen des Sicherungselements 116 auf den Polbereich
der Gelenkschale 110 erfolgt durch eine stoffschlüssige
Verbindung des Zylinderstumpfes 114'' mit der Innenumfangsfläche
der Ausnehmung 118. Dies kann zum Beispiel mittels Ultraschallschweißen oder
Kleben erfolgen. Der Kontaktbereich dieser stoffschlüssigen
Verbindung zwischen dem Zylinderstumpf 114'' und der Innenumfangsfläche
der Ausnehmung 118 ist in 5 durch
schwarze dicke Linien angedeutet.
-
Die
Verbindung des Sicherungselements 116 mit der Gelenkschale 110 kann
weiter dadurch verbessert werden, dass der Außenrand des
Sicherungselements 116 stoffschlüssig mit einer
Innenumfangsfläche der Schnapphaken 112 verbunden
wird. Auch hierzu eignet sich zum Beispiel das Ultraschallschweißen
oder Kleben. Bezüglich der Ausführungsformen gemäß 4 und
auch 3 versteht sich, dass hierbei ebenfalls eine stoffschlüssige
Verbindung des Außenrandes des Sicherungselements 116 mit
der Innenumfangsfläche der Schnapphaken 112 möglich
ist, wodurch die Verbindung zwischen Sicherungselement 116 und
Gelenkschale 110 bzw. der Lagervorrichtung 109 weiter
verbessert ist.
-
Es
versteht sich, dass für das in 1 gezeigte
Kugelgelenk 1 auch eine Lagervorrichtung 109 nach
den Ausführungsformen gemäß 4 oder 5 zum
Einsatz kommen kann.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht der Gelenkschale 210, die eine Öffnung 211 und
einen Polkappenbereich 213 mit geschlossener Mantelfläche aufweist.
Angrenzend an den Polkappenbereich 213 ist an der Gelenkschale 210 eine
Mehrzahl von Verrastungselementen 212 in Form von Schnapphaken angebracht.
Angrenzend an ihre Öffnung 211 umfasst die Gelenkschale 210 einen
Halteflansch 240, der zweckmäßigerweise
radial umlaufend ausgebildet ist. In einem Randbereich dieses Halteflansches 240 ist
eine stegartige Erhebung 246 ausgebildet.
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht des Dichtungsbalgs 242, der aus
einem gummielastischen Material hergestellt ist. An einem oberen
Rand 243 dieses Dichtungsbalgs ist innenliegend eine Aussparung 248 in
Form einer Nut ausgebildet. Komplementär zu der Erhebung 246 verläuft
diese Nut 248 ebenfalls radial umlaufend. Der obere Rand 243 des
Dichtungsbalgs 242 ist zur Kontaktanlage mit dem Gelenkgehäuse
des Kugelgelenks 1 (1) vorgesehen.
Demgegenüber dient der untere Rand 244 des Dichtungsbalgs 242 in
Form eines so genannten Balgmundes dazu, dichtend an dem Kugelzapfen 206 anzuliegen,
wobei dabei sowohl rotatorische Drehbewegungen des Kugelzapfens
als auch Kippbewegungen des Kugelzapfens um seine Längsachse
möglich sind.
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Unter
Verwendung der Gelenkschale 210 (6) und des
Dichtungsbalgs 242 (7) lässt sich
eine so genannte Unterbaugruppe 241 bereitstellen, indem
der Dichtungsbalg 242 an dem Halteflansch 240 geeignet
befestigt wird. Hierzu wird die Nut 248 mit der Erhebung 246 verknüpft.
Die Unterbaugruppe, bestehend aus der Gelenkschale 210 und
dem Dichtungsbalg 242, kann anschließend mit einem
Kugelzapfen 206 verbunden werden, indem ein Kugelkopf 208 des
Kugelzapfens 206 durch die Öffnung 211 der
Gelenkschale 210 eingeführt und dadurch in die
Gelenkschale 210 eingerastet wird. Abweichend hiervon ist
es auch möglich, zunächst den Kugelzapfen mit
seinem Kugelkopf in die Gelenkschale einzusetzen und darin zu verrasten,
bevor die Gelenkschale und der Dichtungsbalg zur Bildung der Unterbaugruppe 241 miteinander
verbunden werden. Bei einer Herstellung der Gelenkschale 210 aus
Kunststoff ist diese ausreichend elastisch, so dass das Einrasten
des Kugelkopfes 208 infolge einer geringfügigen
Aufweitung bzw. Spreizung der Gelenkschale möglich ist. 8 zeigt
eine Querschnittsansicht einer solchen vormontierten Einheit, bei
der die Unterbaugruppe, bestehend aus Gelenkschale 210 und
Dichtungsbalg 242, bereits mit dem Kugelzapfen 206 verbunden
ist. Es ist zu erkennen, dass der untere Rand 244 des Dichtungsbalgs 242 dichtend
in Kontakt mit dem Kugelzapfen 206 ist und somit eine zuverlässige
zapfenseitige Dichtung gewährleistet.
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9 zeigt
den Bereich 201 von 8 in einer
vergrößerten Darstellung, nämlich die
Verknüpfung der Nut 248 mit der Erhebung 246.
Die Erhebung 246 ist an ihrem freien Ende ballig ausgeführt und
bildet somit eine Hinterschneidung. Infolge der elastischen Eigenschaften
des Dichtungsbalgs 242 lässt sich die Nut 248 ohne
weiteres auf die Erhebung 246 aufbringen, so dass das ballige
Ende der Erhebung 246 vollständig innerhalb der
Nut 248 aufgenommen ist. Die Hinterschneidung der Erhebung 246 führt
somit zu einer formschlüssigen Verbindung mit dem Dichtungsbalg 242.
Im Ergebnis ist dadurch der Dichtungsbalg 242 an bzw. auf
dem Halteflansch 240 sowohl axial als auch radial gesichert
gehalten.
-
10 zeigt
prinzipiell vereinfacht weitere Varianten für eine Ausgestaltung
der Erhebung 246, wobei die Varianten a–e alle
einen Hinterschnitt aufweisen und somit eine formschlüssige
Verbindung zwischen Dichtungsbalg und Halteflansch sowohl in axialer
als auch in radialer Richtung gewährleisten. Bei der Variante
gemäß f kann die Verbindung zwischen Dichtungsbalg
und Halteflansch zusätzlich kraftschlüssig ausgebildet
sein, zum Beispiel durch Verwendung von Klebstoff oder dergleichen,
so dass auch für diese Variante eine Fixierung des Dichtungsbalgs
in axialer als auch in radialer Richtung sichergestellt ist. Im Übrigen
ist die Verwendung von Klebstoff oder dergleichen zur Erzielung
einer ergänzenden kraftschlüssigen Verbindung
zwischen dem Dichtungsbalg 242 und dem Halteflansch 240 auch für
die Varianten a–e möglich.
-
In 9 ist
zu erkennen, dass an dem Dichtungsbalg 242 an seiner Seite
entgegengesetzt zur Nut 248 eine Dichtlamellenstruktur 250 ausgebildet ist.
Diese Dichtlamellenstruktur 250 bildet eine Anlagefläche 252,
die mit einem Gelenkgehäuse 202 bei montiertem
Kugelgelenk 201 verklemmt wird, wie nachstehend noch im
Detail erläutert.
-
11a zeigt eine Querschnittsansicht eines vollständig
montierten Kugelgelenks 201 (analog zur Darstellung von 1),
wobei nun die Gelenkschale 210 in die Ausnehmung 204 des
Gelenkgehäuses 202 eingesetzt ist. Eine verliersichere
Verrastung der Gelenkschale 210 innerhalb der Ausnehmung 204 erfolgt über
die Schnapphaken 212, die mit einem Randbereich 203 der
Ausnehmung 204 verrasten. Die axiale Höhe der
Gelenkschale 210 ist dabei geeignet so bemessen, dass im
eingebauten Zustand die Dichtlamellenstruktur 250 des Dichtungsbalgs 242 von
unten gegen das Gelenkgehäuse 202 gepresst wird.
Hieraus resultiert in Verbindung mit der Verknüpfung der
Nut 248 auf der Erhebung 246 eine besonders große
Dichtigkeit des Dichtungsbalgs 242 an seinem oberen Rand 243 bzw.
der gehäuseseitigen Dichtung.
-
Der
Montageprozess für das in 11a (bzw. 1)
gezeigte Kugelgelenk 201 erfolgt in der Weise, dass zunächst
die Unterbaugruppe, bestehend aus dem Dichtungsbalg 242 und
der Gelenkschale 210, durch die formschlüssige
und/oder kraftschlüssige Verbindung dieser beiden Elemente
gebildet wird. In einem nächsten Schritt wird dann der
Kugelzapfen 206 in die Gelenkschale 210 eingeführt und
darin verrastet (vgl. 8). Wie bereits vorstehend erläutert,
kann der Kugelzapfen vor oder auch nach Bildung der Unterbaugruppe,
die aus der Gelenkschale und dem Dichtungsbalg besteht, mit seinem
Kugelkopf in die Gelenkschale eingesetzt und mit ihr verrastet werden,
um dadurch die genannte vormontierte Einheit zu bilden. Anschließend
wird in einem letzten Schritt die vormontierte Einheit, bestehend
aus Kugelzapfen, Gelenkschale und Dichtungsbalg, mit dem Gelenkgehäuse 202 verbunden,
indem die Gelenkschale 210 in die Ausnehmung 204 des Gelenkgehäuses 202 eingeführt
und wie vorstehend erläutert darin verrastet wird.
-
In
den 11–13 sind
alternative Ausführungsformen für die Gelenkschale 210 jeweils
in einer Perspektivansicht gezeigt, in Abwandlung zu der in 6 gezeigten
Ausführungsform. Bei der Variante gemäß 11 sind
sowohl der Halteflansch 240 als auch die Erhebung 246 segmentartig
bzw. geschlitzt ausgebildet, was zu einer verbesserten Elastizität
der Gelenkschale beim Verrasten mit dem Kugelkopf 206 führt
und zu Vereinfachung der Herstellung in Folge einer verbesserten
Entformbarkeit aus dem Werkzeug führt. Bei der Variante
von 12 ist lediglich die Erhebung 246 segmentartig mit
dazwischen liegenden Spalten 247 ausgebildet. Bei der Variante
von 13 ist ausschließlich der Halteflansch 240 mit
einem daran angrenzenden unteren Bereich der Gelenkschale 210 geschlitzt
ausgebildet sind, wobei die Erhebung 246 radial umlaufend
ausgebildet ist.
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14 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Dichtungsbalgs 342, der
zum Einsatz bei dem Kugelgelenk 1 von 1 bzw.
dem Kugelgelenk 201 von 11a vorgesehen
ist. Der Dichtungsbalg 342 weist einen oberen Rand 343 und
einen unteren Rand 344 in Form eines so genannten Balgmundes auf.
Der Dichtungsbalg 342 umfasst einen Balgkörper 360,
der sich zwischen dem oberen Rand 343 und dem Balgmund 344 erstreckt.
Der obere Rand 343 erfüllt den Zweck einer gehäuseseitigen
Dichtung und liegt bei einem montierten Kugelgelenk entsprechend
am Gelenkgehäuse an. Der Balgmund 344 erfüllt
den Zweck einer zapfenseitigen Dichtung und liegt entsprechend dichtend
an einem Kugelzapfen an.
-
Der
Balgmund 344 weist eine Innenumfangsfläche 362 auf,
die konkav ausgebildet ist. 15 zeigt
den Bereich I von 14 in einer vergrößerten
Darstellung. Hierin ist der Balgmund 344 mit seiner konkaven
Innenumfangsfläche 362 im unbelasteten Zustand
dargestellt. In 15 ist zusätzlich prinzipiell
vereinfacht ein Teil eines Kugelzapfens 306 mit einer Balgnut 320 gezeigt,
wobei der Balgmund 344 in diese Balgnut 320 eingesetzt
ist. Wenn der Dichtungsbalg 342 in dem Kugelgelenk montiert ist,
legt sich die Innenumfangsfläche 362 vollständig an
die gerade Fläche der Balgnut 320 an. Hierbei
entwickelt der Balgmund 344 durch seine konkave Kontaktgeometrie
eine Federwirkung. Dies hat zur Folge, dass Zug- oder Druckkräfte
im Balgkörper, die bei großen Bewegungswinkeln
eines Kugelzapfens entstehen können, ausgeglichen werden, woraus
eine gleichmäßige Anpresskraft und Dichtleistung über eine
axiale Höhe des Balgmundes 344 bzw. über
seine Innenumfangsfläche 362 gewährleistet
sind.
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Die
Darstellung von 15 verdeutlicht, dass der Balgkörper 360 mit
dem Balgmund 344 derart verbunden ist, dass ein Übergangsbereich 339 zwischen
dem Balgkörper 360 und dem Balgmund 342 eine
Querschnittsverminderung aufweist. Diese Vermindung des Querschnitts
ist dadurch gegeben, dass der Verbindungsabschnitt zwischen Balgkörper 360 und
Balgmund 344 eine geringere Erstreckung s aufweist als
die axiale Höhe h des Balgmundes 344. Hierdurch
ist sichergestellt, dass Zugkräfte oder Druckkräfte,
die bei großen Verschwenkwinkeln des Kugelzapfens 306 bezüglich
einer Längsachse 301 des Kugelgelenks 300 in
dem Balgkörper 360 entstehen, von dem Balgmund 344 weitestgehend
ferngehalten werden. Im Ergebnis bleibt die Anpresskraft des Balgmundes
an dem Kugelzapfen 306 über die Höhe
der Innenumfangsfläche 362 gleichmäßig
erhalten. Hierdurch wird ein einseitiges Ablösen der Innenumfangsfläche 362 von
der Balgnut 320 verhindert.
-
Diese
vorstehend erläuterte Vermindung der Kraft- und Bewegungsübertragung
zwischen Balgkörper und Balgmund wird weiter dadurch verbessert,
indem der Balgkörper 360 an dem Balgmund 344 im
Wesentlichen im Bereich dessen axialer Mitte angebracht ist. Eine
noch weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, dass der Balgkörper
zumindest eine Einkerbung 364 aufweist. Die in 15 gezeigte
Einkerbung 364 ist radial umlaufend in Form einer Nut ausgebildet.
Alternativ ist es auch möglich, diese Einkerbung nur an
einer Seite des Balgkörpers 360 vorzusehen.
-
Der
Dichtungsbalg 342 ermöglicht eine Anbringung an
dem Kugelzapfen 306 auch ohne das Vorsehen eines Spannrings.
Die Überlagerung der verschiedenen genannten Merkmale des
Dichtungsbalgs 342, nämlich Federwirkung der konkaven
Innenumfangsfläche 362 und die Vermindung der Kraft-
und Bewegungsübertragung zwischen Balgkörper 360 und
Balgmund 344 gewährleisten einen ausreichenden
Anpressdruck für den Balgmund 344, auch wenn das
Kugelgelenk 1 (1) großen Bewegungswinkeln
unterliegt.
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In 16 ist
eine Querschnittsansicht eines Teils eines Dichtungsbalgs 342 mit
einer axialen Falte gezeigt. Die axiale Falte wird durch mehrere
in radialer Richtung verlaufende Segmente des Balgkörpers 360 erzeugt,
die eine unterschiedliche axiale Höhe aufweisen.
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17 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bereichs II von 16. Hierin
ist zu erkennen, dass der Balgkörper 360 angrenzend
an den Balgmund 344 infolge der axialen Falte (16)
mit der Längsachse 301 des Kugelgelenks einen
kleineren Winkel einschließt als die Ausführungsform
von 15. Jedoch ist auch bei der Ausführungsform
von 17 infolge der Verbindung zwischen dem Balgkörper 360 und
Balgmund 344, die in dem Übergangsbereich 339 zwischen
diesen beiden Elementen eine Querschnittsverminderung aufweist,
die vorstehend erläuterte Verminderung der Kraft- und Bewegungsübertragung
gewährleistet. In gleicher Weise wie in 15 ist
in 17 der Balgmund 344 mit seiner ursprünglich
konkaven Innenumfangsfläche 362 gezeigt, die sich
bei fertig montiertem Kugelgelenk gerade an die Balgnut 320 anlegt.
-
Zur
Verbesserung der Verminderung der Kraft- und Bewegungsübertragung
zwischen Balgkörper und Balgmund können in dem
Balgkörper 360 mehrere Einkerbungen 364 hintereinander
ausgebildet sein, wobei die Einkerbungen 364 angrenzend zueinander
in einer Reihe angeordnet sind. 18 zeigt
eine Querschnittsansicht eines unteren Bereichs des Balgkörpers 360,
der an den Balgmund 344 angrenzt. Bei dieser Ausführungsform
sind drei Einkerbungen vorgesehen. Es versteht sich, dass bei einer
Mehrzahl von Einkerbungen deren Anzahl nicht auf drei beschränkt
ist, sondern auch mehr oder weniger betragen kann.
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Der
Dichtungsbalg 342 weist sowohl bei der Ausführungsform
gemäß 15 als
auch bei der Ausführungsform gemäß 18 eine
Abstreiflippe 366 auf, die radial außerhalb des Übergangsbereichs 339 zwischen
dem Balgkörper 360und dem Balgmund 344 ausgebildet
ist. Die Abstreiflippe 366 bildet eine axiale Erweiterung
des Balgkörpers 360, wobei sie mit einem Randbereich
der Balgnut 320 in Kontakt ist. Die Abstreiflippe 366 schützt
das Kugelgelenk 301 vor dem Eindringen von Schmutz und/oder Feuchtigkeit.
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19 zeigt
das Kugelgelenk 301 mit einer weiteren Ausführungsform
des Dichtungsbalgs 342, wobei zur zusätzlichen
Fixierung des Balgmundes 344 in der Balgnut 320 ein
Spannring 368 zum Einsatz kommt. Auch in Gegenwart eines
solchen Spannrings 368 bleiben jedoch die Eigenschaften bzw.
Merkmale des Dichtungsbalgs 342 gemäß der vorstehend
erläuterten Ausführungsformen unverändert
erhalten.
-
In
den 20–24 ist
ein Strebenkörper 470 in Verbindung mit Einzelheiten
davon gezeigt, mittels dessen sich zwei Kugelgelenke 1 zu
einem Kugelgelenk-System zusammenfassen lassen. Anders ausgedrückt,
sind an den jeweiligen Enden eines solchen Strebenkörpers 470 jeweils
ein Kugelgelenk gemäß der vorstehend erläuterten
Ausführungsformen angebracht.
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In 20 und 21 ist
der Strebenkörper 470 gezeigt, wobei die 21 eine
Perspektivansicht und die 20 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 21 darstellen.
-
Der
Strebenkörper 470 hat einen Profilquerschnitt,
der innerhalb eines Hüllkreises 472 mit dem Durchmesser
D (20) angeordnet ist. Der Strebenkörper 470 weist
eine Horizontalachse 474 und eine Vertikalachse 476 auf.
Oberhalb der Horizontalachse 474 sind drei Erhebungen 478 ausgebildet, wobei
unterhalb der Horizontalachse zwei Erhebungen 480 ausgebildet
sind. Der Strebenkörper 470 ist bezüglich
seiner Vertikalachse 476 symmetrisch ausgebildet, wobei
sein Flächenschwerpunkt S oberhalb der Horizontalachse 474 liegt
und davon um die Strecke h1 beabstandet
ist.
-
Der
Strebenkörper 470 ist bezüglich seines Profilquerschnitts
durch die jeweiligen Abmessungen der einzelnen Erhebungen 478, 480 und
der dazwischen ausgebildeten Profilsenken 482, 484 und 486 charakterisiert.
Die Abmessungen dieser Erhebungen und Profilsenken sind in 1 durch
die Strecken h2-h7 bzw.
b1-b4 definiert.
Je nach Einsatzzweck des Strebenkörpers 470 bzw.
eines eintretenden Lastfalls können die Höhen
h1-h7 bzw. Breiten
b1-b4 der Erhebungen
konstant oder veränderlich entlang einer Länge
des Strebenkörpers 470 ausgeführt sein.
-
22 zeigt
den Strebenkörper von 21, wenn
an beiden Enden jeweils ein Kugelgelenk 400 montiert ist.
Ein solches Kugelgelenk 400 besteht üblicherweise
aus einem Kugelzapfen 406, einem Dichtungsbalg 442 und
einer (nicht erkennbaren) Gelenkschale. An den beiden Enden des
Strebenkörpers 470 ist jeweils eine Ausnehmung 404 in
Form einer Durchgangsöffnung ausgebildet. Die Gelenkschale, innerhalb
derer der Kugelzapfen 306 schwenkbeweglich aufgenommen
ist, wird für eine Vervollständigung der in 22 gezeigten
montierten Stabilisatorstrebe in die jeweiligen Durchgangsöffnungen 404 des
Strebenkörpers 470 eingesetzt und verliersicher darin
verrastet.
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23 zeigt
einen Endabschnitt des Strebenkörpers 470 gemäß des
Bereichs I von 22 in vergrößerter
Darstellung. Die Durchgangsöffnung 404 bildet
hierbei einen Anbindungsbereich 488 zur Aufnahme eines
Kugelgelenks 300. Zwischen dem Anbindungsbereich 488 und
einem daran angrenzenden Randbereich des Strebenkörpers 470 ist
ein Übergangsbereich 490 vorgesehen, der zylindrisch ausgebildet
ist. Aufgrund dieses zylindrischen Abschnitts kann der Anbindungsbereich 488,
d. h. die Durchgangsöffnung 404, mit ihrer in
Längsrichtung der Öffnung verlaufenden Achse 492 in
einem definierten Winkel bezüglich des Strebenkörpers 470 unter
Berücksichtigung seiner Entformungsrichtung angeordnet
werden.
-
Der
Strebenkörper ist zur weiteren Verbesserung seiner Steifigkeit
an seiner Aussenfläche an seinen Profilsenken durch Rippen 494 ausgesteift, die
jeweils über einen Längenabschnitt I an ausgebildet
sind.
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24 zeigt
eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Strebenkörpers 470,
wenn die beiden Kugelzapfen 406 der jeweiligen Kugelgelenke 401 mit ihrer
Längsachse relativ zueinander einen Winkel von 90° einschließen.
In Bezug auf die in 22 gezeigte Ausführungsform
gilt, dass die beiden Kugelzapfen 406 relativ zueinander
einen Winkel von 180° einschließen. Im Allgemeinen
gilt, dass durch eine geeignete Ausbildung des Übergangsbereichs 490 bei
der Herstellung des Strebenkörpers 470 für die
Anbindungsbereiche 488 an den beiden Enden des Strebenkörpers 470 alle
relativen Winkel-Orientierungen in einem Bereich von 0° bis
180° möglich sind, so dass die Kugelzapfen von
daran montierten Kugelgelenken einen Winkel relativ zueinander in dem
genannten Bereich einschließen. Entsprechend ist eine vielfältige
Anwendung des Strebenkörpers 470 im Fahrwerksbereich
oder vergleichbaren Gebieten gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19900072
C2 [0005]
- - DE 19823781 C5 [0009]
- - US 5676485 [0009]