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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 Lenkung bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz, und dienen der koppelnden Verbindung zwischen zwei Baugruppen, beispielsweise zwischen Radträger und Lenkgestänge.
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Die an derartige Kugelgelenke gestellten Anforderungen umfassen dabei insbesondere geringen Wartungsbedarf bzw. Wartungsfreiheit möglichst über die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs bzw. über die Lebensdauer der jeweiligen Anwendung des Kugelgelenks. Darüber hinaus soll die Herstellung des Kugelgelenks möglichst kostengünstig erfolgen.
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Üblicherweise besitzt ein gattungsgemäßes Kugelgelenk ein häufig im Wesentlichen ringförmig-zylindrisches oder topfförmiges Gelenkgehäuse, in dessen Innenraum eine Lagerschale bzw. Kugelaufnahme angeordnet ist, sowie einen Kugelzapfen mit einer Gelenkkugel, wobei die Gelenkkugel in der Lagerschale des Gelenkgehäuses beweglich aufgenommen ist. Zum Schutz des Gelenkspalts zwischen dem Kugelzapfen und dem Gelenkgehäuse erhalten gattungsgemäße Kugelgelenke typischerweise einen elastischen Dichtungsbalg, der den Gelenkspalt zwischen Kugelzapfen und Gelenkgehäuse gegenüber Umgebungseinflüssen und Umgebungsmedien dicht abschließt.
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Die hundertprozentige, dauerhafte Dichtheit des Kugelgelenk-Dichtungsbalgs ist dabei jedoch Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb und für das Erreichen der vorgesehenen Lebensdauer des Kugelgelenks. Bereits minimale Beschädigungen des Dichtungsbalgs hingegen können dazu führen, dass korrosive Umgebungsmedien oder Fremdstoffe in den Lagerspalt zwischen Gelenkkugel und Kugelschale eintreten, was – zumeist unter gleichzeitigem Verlust von Schmiermittel aus dem Bereich des Lagerspalts – zu einer stark erhöhten Abnutzung und damit reduzierten Lebensdauer des Kugelgelenks führen kann.
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Insbesondere im Bereich der Radaufhängungen und Achssysteme von Kraftfahrzeugen stellt das vorzeitige Versagen von Kugelgelenken jedoch ein potentielles Sicherheitsproblem dar, was nach Möglichkeit unterbunden werden muss.
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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 die Versagenssicherheit und Lebensdauer von Kugelgelenken mit geringem Zusatzaufwand maßgeblich erhöht 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 Gelenkgehäuse mit einer Kugelaufnahme sowie einen aus einer Kugelfläche und einem Zapfenteil bestehenden Lagerzapfen. Der Lagerzapfen ist anhand seiner Kugelfläche dreh- und schwenkbar in der Kugelaufnahme des Gelenkgehäuses gelagert. Dabei ist in für sich genommen ebenfalls bekannter Weise zwischen Gelenkgehäuse und Lagerzapfen ein elastischer Dichtungsbalg angeordnet, der den Gelenkspalt zwischen Gelenkgehäuse und Kugel bzw. Lagerzapfen gegenüber der Umgebung abschließt.
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Erfindungsgemäß jedoch zeichnet sich das Kugelgelenk dadurch aus, dass im Innenraum des Dichtungsbalgs, zwischen Dichtungsbalg und Gelenkspalt, eine vom Dichtungsbalg separate, den Gelenkspalt übergreifende Innendichtung angeordnet ist.
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Dank der erfindungsgemäßen zusätzlichen und vom Dichtungsbalg separaten Innendichtung zwischen dem Dichtungsbalg und dem Gelenkspalt des Kugelgelenks ergibt sich eine maßgeblich verbesserte Abdichtung des Lagerspalts zwischen Gelenkkugel und Kugelaufnahme, mit entscheidend erhöhter Versagenssicherheit insbesondere im Fall von Beschädigungen des (äußeren) Kugelgelenk-Dichtungsbalgs. Gerade bei minimalen bis geringen Verletzungen des äußeren Dichtungsbalgs kann dank der erfindungsgemäßen, vom Dichtungsbalg separaten Innendichtung trotzdem die Funktionsfähigkeit und konstruktiv vorgesehene Lebensdauer des Kugelgelenks erreicht werden. Dies hängt damit zusammen, dass die vom Dichtungsbalg separate Innendichtung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks (auch bei Verletzungen des äußeren Dichtungsbalgs) nach wie vor zumindest mechanisch weitestgehend durch den äußeren Dichtungsbalg geschützt ist, und daher lediglich die Abdichtungsfunktion zwischen dem – typischerweise Schmiermittel enthaltenden – Bereich des Gelenkspalts einerseits und den in den äußeren Dichtungsbalg etwa eingedrungenen Umgebungsmedien andererseits aufrechterhalten muss.
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Falls größere Verletzungen oder Beschädigungen des äußeren Kugelgelenk-Dichtungsbalgs auftreten sollten, so wird durch die erfindungsgemäße, vom Dichtungsbalg separate Innendichtung zumindest eine Notlaufeigenschaft für das Kugelgelenk über eine gewisse Zeitspanne sichergestellt, wodurch sich eine signifikante Verbesserung der Funktionssicherheit des erfindungsgemäßen Kugelgelenks gegenüber einem Kugelgelenk aus dem Stand der Technik ergibt.
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Die Erfindung wird dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklicht, wie die Innendichtung konstruktiv ausgebildet und zwischen Dichtungsbalg und Gelenkspalt angeordnet ist, solange der Gelenkspalt durch die Innendichtung übergriffen und damit abgedichtet ist.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist die Innendichtung jedoch als Balgdichtung, vorzugsweise als Elastomerbalg ausgebildet. Auf diese Weise bleibt insbesondere die Relativbeweglichkeit zwischen Lagerzapfen und Gelenkgehäuse optimal erhalten.
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Hierzu alternative Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Innendichtung aus einem elastischen Hartkunststoff besteht und als Membranbalg ausgebildet ist. Bei dem elastischen Hartkunststoff kann es sich beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, um einen Polyurethanwerkstoff handeln.
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Die Verwendung einer Membran aus einem elastischen Hartkunststoff für den Balg der Innendichtung ist vorteilhaft insofern, als die Innendichtung sowohl mechanisch als auch bezüglich korrosiver Fremdmedien lediglich geringen Belastungen unterliegt, da sie erfindungsgemäß durch den (äußeren) Dichtungsbalg mechanisch sowie gegenüber Fluiden oder anderen Fremdstoffen geschützt ist. Durch die Verwendung eines Membranbalgs aus einem elastischen Hartkunststoff lässt sich die Innendichtung zudem besonders bauraum- und gewichtssparend ausführen. Insbesondere lassen sich auf diese Weise auch vorhandene Kugelgelenke – mit allenfalls minimalen Modifikationen und bei unveränderten Außenmaßen – mit der erfindungsgemäßen Innendichtung ausstatten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Innendichtung zapfenseitig einen Endwulst auf, wobei der Endwulst in einer Zapfennut aufgenommen ist. Vorzugsweise ist der zapfenseitige Endwulst der Innendichtung dabei in Umfangsrichtung gleitend in der Zapfennut aufgenommen. Letzteres ist insbesondere vorgesehen bei einer aus elastischem Hartkunststoff bestehenden Innendichtung, welche ansonsten nur minimale Rotationsbewegungen des Kugelzapfens im Gelenkgehäuse erlauben würde.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Innendichtung gelenkgehäuseseitig einen Endwulst aufweist, wobei der Endwulst in einer im Wesentlichen stirnseitig am Gelenkgehäuse angeordneten Gelenkgehäusenut aufgenommen ist. Auf diese Weise lässt sich die Innendichtung platzsparend (und mit nur minimalen Modifikationen am Gelenkgehäuse) mit dem Gelenkgehäuse verbinden. Zur festen Verbindung zwischen dem gelenkgehäuseseitigen Endwulst der Innendichtung und der Gelenkgehäusenut kann die Gelenkgehäusenut bei der Herstellung beispielsweise mit einem umlaufenden Grat versehen werden, welcher nach der Aufnahme des Endwulstes der Innendichtung in der Gelenkgehäusenut geringfügig verrollt wird, so dass sich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem gelenkgehäuseseitigen Endwulst der Innendichtung und dem Gelenkgehäuse ergibt.
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Gemäß hierzu alternativer Ausführungsformen der Erfindung ist die Innendichtung mit einem gelenkgehäuseseitigen Ringelement (beispielsweise aus Blech) verbunden, bzw. einstückig mit einem gelenkgehäuseseitigen Ringelement (in diesem Fall aus Kunststoff) ausgebildet. Das Ringelement erlaubt somit eine platzsparende Montage der Innendichtung auf dem Gelenkgehäuse. Dies gilt insbesondere dann, wenn – wie dies eine weitere bevorzugte Ausführungsform vorsieht – auf dem Ringelement der Innendichtung gleichzeitig noch der gelenkgehäuseseitige Befestigungswulst des äußeren Elastomerbalgs angeordnet ist. Bei geeigneter Formgebung können auf diese Weise die gelenkgehäuseseitigen Enden von Innendichtung und äußerem Dichtungsbalg zudem kostensparend in ein und demselben Arbeitsgang am Gelenkgehäuse montiert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
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1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Kugelgelenks gemäß der Erfindung; und
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2 in einer 1 entsprechenden Darstellung und Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks.
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1 zeigt ein Kugelgelenk gemäß der vorliegenden Erfindung in einem teilweise dargestellten Längsschnitt. Man erkennt zunächst den Lagerzapfen 1 mit Zapfenteil 2 und Kugelfläche bzw. Kugel 3, sowie das Gelenkgehäuse 4. Zwischen Gelenkgehäuse 4 und einem konischen Bereich des Zapfenteils 2 erstreckt sich in für sich genommen bekannter Weise ein Elastomerbalg 5, der den Gelenkspalt 6 zwischen Gelenkgehäuse 4 und Lagerzapfen 1 gegenüber der Umgebung abschließt.
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Erfindungsgemäß weist das Kugelgelenk gemäß 1 jedoch zusätzlich eine im Innenraum des Dichtungsbalgs 5 angeordnete, den Gelenkspalt 6 ebenfalls übergreifende Innendichtung 7 auf, die als eigenständiges, vom Dichtungsbalg 5 separates und beabstandetes Bauteil ausgebildet ist. Die Innendichtung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als verhältnismäßig dünnwandige Membran aus einem elastischen Hartkunststoff, beispielsweise Polyurethan, ausgebildet. Auf diese Weise benötigt die Innendichtung 7 lediglich minimalen Bauraum bei gleichzeitig vernachlässigbarem Zusatzgewicht. Auch können so bestehende Kugelgelenke unter nur minimalen Modifikationen mit einer Innendichtung nachgerüstet werden, ohne dass sich der Dichtungsbalg 5 bzw. die Außenabmessungen des Kugelgelenks ändern.
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Die Ausbildung der Innendichtung 7 als eigenständiges und vom Dichtungsbalg 5 beabstandetes Bauteil führt insbesondere dazu, dass der Innenraum des Dichtungsbalgs 5 durch die Innendichtung 7 in zwei voneinander getrennte und unabhängige Teilinnenräume aufgeteilt wird, wodurch – analog einer Labyrinth- oder Mehrfachdichtung – eine erhöhte Versagenssicherheit und Dichtungswirkung erreicht wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Innendichtung 7 zapfenseitig einen Endwulst 8 auf, der in einer Zapfennut 9 des Lagerzapfens 1 aufgenommen ist. Der Endwulst 8 kann dabei in Umfangsrichtung in der Zapfennut 9 gleiten, um auf diese Weise auch Rotationsbewegungen des Lagerzapfens 1 zu erlauben, ohne unzulässig hohe Scherbelastungen in der Innendichtung 7 zu erzeugen.
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Gelenkgehäuseseitig ist die Innendichtung 7 in einer ringförmig umlaufenden Gelenkgehäusenut 10 aufgenommen und durch die ebenfalls umlaufende Verrollung des Grats 11 in der Gelenkgehäusenut 10 kraft- und formschlüssig fixiert.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks, welches ebenfalls eine vom Dichtungsbalg 5 separate Innendichtung 7 aufweist. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist die Innendichtung 7 bei der Ausführungsform gemäß 2 einstückig mit einem um das Gelenkgehäuse 4 umlaufenden Ringelement 12 ausgebildet. Das Ringelement 12 dient bei der dargestellten Ausführungsform sowohl der Montage und Befestigung der Innendichtung 7 auf dem Gelenkgehäuse 4, als auch gleichzeitig der Montage und Befestigung des äußeren Dichtungsbalgs 5 relativ zum Gelenkgehäuse 4. Auch auf diese Weise ergibt sich eine platzsparende Realisierung der Innendichtung 7, bzw. eine einfache Nachrüstmöglichkeit mit einer Innendichtung auch für existierende Bauformen von Kugelgelenken, ohne dass hierzu nennenswerte Veränderungen an den Bauteilen des Kugelgelenks vorgenommen werden müssen.
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Im Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung ein Kugelgelenk geschaffen wird, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kugelgelenken – aufgrund der erfindungsgemäßen Realisierung maßgeblich verbesserter Notlaufeigenschaften – Vorteile insbesondere in Bezug auf Lebensdauer und Betriebssicherheit aufweist. Damit leistet die Erfindung einen Beitrag zur Verbesserung der Funktions- und Ausfallsicherheit sowie zur Erweiterung des möglichen Einsatzbereichs von Kugelgelenken, insbesondere im Hinblick auf die Anwendung im Bereich von Achssystemen und Radaufhängungen am Kraftfahrzeug.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerzapfen
- 2
- Zapfenteil
- 3
- Kugel, Kugelfläche
- 4
- Gelenkgehäuse
- 5
- Elastomerbalg
- 6
- Gelenkspalt
- 7
- Innendichtung
- 8
- Endwulst
- 9
- Zapfennut
- 10
- Gelenkgehäusenut
- 11
- Befestigungsgrat, Verrollung
- 12
- Ringelement
