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Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für ein Fahrzeug, mit einem eine Gelenkkugel umfassenden Kugelzapfen, einer die Gelenkkugel umschließenden und mit einer Zapfenöffnung versehenen Kugelpfanne, in der die Gelenkkugel des Kugelzapfens drehbar gelagert ist, der sich durch die Zapfenöffnung hindurch aus der Kugelpfanne heraus erstreckt, die zwei in einer axialen Richtung relativ zueinander bewegbare Kugelpfannenteile umfasst, die an unterschiedlichen Seiten der Gelenkkugel angreifen, die in axialer Richtung einander gegenüberliegen, und einer mit einem Getriebe und mit einem Antrieb versehenen Stelleinrichtung, mittels welcher die Kugelpfannenteile in axialer Richtung aufeinander zu bewegbar sind, sodass von diesen ein Druck auf die Gelenkkugel ausübbar ist.
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Herkömmliche Serienkugelgelenke weisen zwei wesentliche Nachteile auf. Zum einen streuen fertigungsbedingt die Drehmomente trotz Tempern in unzulässiger Weise. Zum anderen entsteht mit zunehmender Betriebsdauer ein mehr oder weniger starker Verschleiß, der die Fahreigenschaften von älteren Fahrzeugen stark beeinträchtigen und sogar Ausfälle verursachen kann. Einfache Maßnahmen zum Vorspannen, wie z.B. der Einbau eines Gummirings oder einer Druckfeder als Vorspannelement, haben sich nicht bewährt, da die eingesetzten Vorspannelemente bei Axiallasten nachgeben und eher ein Spiel verursachen.
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Die
DE 1 450 064 A offenbart ein selbstnachstellendes Kugelgelenk, umfassend ein Gehäuse mit einem Pfannenteil, der mit einem Kugelzapfenkopf-Auflagersitz versehen ist, einen Kugelzapfen mit Kugelkopf, der gegen den Sitz anliegt und dessen Schaft sich aus dem Pfannenteil heraus erstreckt, wobei sich eine Wand des Pfannenteils im Abstand von dem Kugelkopf befindet und auf dessen dem Sitz entgegengesetzten Seite angeordnet ist, eine selbsterregende Spindeltriebeinrichtung, die zwischen dem Kugelkopf und der erwähnten Wand angeordnet ist, um den Kopf ständig gegen den Sitz zu belasten, und die eine mit einem Innengewinde versehene Mutter aufweist, die mit einer mit einem Außengewinde versehenen Spindel verschraubt ist, sowie eine spiralige Torsionsfeder, welche um die Außenseite der Mutter herumgewickelt und an ihrem inneren Ende mit dieser verbunden ist, während ihr äußeres Ende mit der Spindel im Abstand radial nach außen von der Mutter verbunden ist, wobei die Drehspannung der Feder im Sinne einer Auseinanderschraubung der Mutter und der Spindel wirkt, um die Spindeltriebeinrichtung zu verlängern. Als Gewinde werden z.B. Flachgewinde oder Trapezgewinde eingesetzt. Ein ähnliches Kugelgelenk ist auch aus der
GB 992 100 A bekannt.
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Bei diesem Kugelgelenk ist die Spindel in die Mutter eingeschraubt, sodass das durch die Spindeltriebeinrichtung gebildete Getriebe in axialer Richtung relativ groß baut. Ferner ist die Reibung zwischen der Spindel und der Mutter bei den eingesetzten Gewinden relativ groß, was bei der Auslegung der Feder zu berücksichtigen ist.
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Aus der
CH 303 377 A ist ein Kugelgelenk bekannt, bei dem zwischen einer oberen Kugelpfanne und einer Verschlusskappe Lagerkugeln angeordnet sind.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Kugelgelenk der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad der Stelleinrichtung gegenüber der vorgenannten Spindeltriebeinrichtung zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Kugelgelenk nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Das erfindungsgemäße Kugelgelenk für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist einen eine Gelenkkugel umfassenden Kugelzapfen, eine die Gelenkkugel umschließende und mit einer Zapfenöffnung versehene Kugelpfanne, in der die Gelenkkugel des Kugelzapfens drehbar gelagert ist, der sich durch die Zapfenöffnung hindurch aus der Kugelpfanne heraus erstreckt, die zwei in einer axialen Richtung relativ zueinander bewegbare Kugelpfannenteile umfasst, die an unterschiedlichen Seiten der Gelenkkugel angreifen, die in axialer Richtung einander gegenüberliegen, und eine mit einem Getriebe und mit einem Antrieb versehene Stelleinrichtung auf, mittels welcher die Kugelpfannenteile in axialer Richtung aufeinander zu bewegbar sind, sodass von diesen ein Druck auf die Gelenkkugel ausübbar ist, wobei das Getriebe ein erstes Getriebeteil mit in axialer Richtung ansteigenden und um eine in axialer Richtung ausgerichteten Drehachse gekrümmt verlaufenden Kugelbahnen, in denen jeweils eine Getriebekugel bewegbar geführt ist, und ein zweites Getriebeteil umfasst, welches mit den Getriebekugeln in Kontakt steht, die in axialer Richtung zwischen den Getriebeteilen angeordnet sind, und wobei die Getriebekugeln und das erste Getriebeteil mittels des Antriebs relativ zueinander um die Drehachse verdrehbar sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk ist die im Getriebe auftretende Reibung relativ gering, sodass ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad der Stelleinrichtung erzielbar ist. Ferner bildet die Stelleinrichtung eine von dem Antrieb antreibbare Hubeinrichtung, mittels welcher die Kugelpfannenteile in axialer Richtung aufeinander zu bewegbar sind. Der den Druck auf die Gelenkkugel bewirkende Hub der Stelleinrichtung wird durch die in axialer Richtung ansteigenden Kugelbahnen erzielt. Die Ausgestaltung des Getriebes ist sehr kompakt realisierbar. Insbesondere kann das Getriebe flacher als die herkömmliche Spindeltriebeinrichtung aufgebaut werden.
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Dem Kugelgelenk ist bevorzugt eine sich in axialer Richtung erstreckende und durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurch verlaufende Längsachse zugeordnet, die insbesondere auch als Mittellängsachse bezeichnet wird. Vorteilhaft ist die Drehachse durch die Längsachse gebildet oder fällt mit dieser zusammen. Bevorzugt verlaufen die Kugelbahnen des ersten Getriebeteils jeweils entlang einer um die Drehachse herum verlaufenen Spirale. Insbesondere verlaufen die Kugelbahnen des ersten Getriebeteils spiralförmig um die Drehachse. Vorteilhaft sind die Kugelbahnen des ersten Getriebeteils rings der Drehachse zueinander versetzt. Bevorzugt sind die Kugelbahnen des ersten Getriebeteils als in dieses eingebrachte Nuten ausgebildet.
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Ein erstes der Kugelpfannenteile wirkt insbesondere mit dem ersten Getriebeteil zusammen oder bildet dieses. Das Zusammenwirken kann z.B. dadurch erfolgen, dass das erste Getriebeteil gegen das erste Kugelpfannenteil drückt. Vorzugsweise greift das erste Getriebeteil unmittelbar oder mittelbar an dem ersten Kugelpfannenteil an. Ferner wirkt das zweite Kugelpfannenteil insbesondere mit dem zweiten Getriebeteil zusammen oder bildet dieses. Das Zusammenwirken kann z.B. dadurch erfolgen, dass das zweite Getriebeteil gegen das zweite Kugelpfannenteil drückt. Vorzugsweise greift das zweite Getriebeteil unmittelbar oder mittelbar an dem zweiten Kugelpfannenteil an. Vorteilhaft werden mittels der Stelleinrichtung die Kugelpfannenteile in axialer Richtung aufeinander zu gedrückt, sodass von diesen ein Druck auf die Gelenkkugel ausgeübt wird.
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Die beiden Kugelpfannenteile können in einem Kugelgelenkgehäuse angeordnet sein. Bevorzugt bildet aber eines der Kugelpfannenteile ein Gehäuse, in dem die Gelenkkugel und das andere Kugelpfannenteil angeordnet sind. Vorteilhaft sind auch das Getriebe und/oder der Antrieb in dem Gehäuse angeordnet. Somit ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau des Kugelgelenks. Bevorzugt ist in dem Gehäuse ein Innenraum vorgesehen, in dem die Gelenkkugel angeordnet ist. Insbesondere ist auch das andere Kugelpfannenteil in dem Innenraum angeordnet und in diesem in axialer Richtung verschiebbar geführt. Bevorzugt weist das Gehäuse eine umlaufende Wandung auf, die den Innenraum begrenzt. Das andere Kugelpfannenteil kann demnach als Kolben betrachtet werden, der in dem Gehäuse in axialer Richtung verschiebbar geführt ist, welches in diesem Sinne einen Zylinder bildet. Der Innenraum umfasst bevorzugt eine zylindrische Innenumfangsfläche, an welcher insbesondere das andere Kugelpfannenteil mit seiner Außenumfangsfläche in axialer Richtung verschiebbar geführt ist. Die Innenumfangsfläche ist bevorzugt durch die Wandung des Gehäuses gebildet. Ferner ist die Außenumfangsfläche des anderen Kugelpfannenteils insbesondere zylindrisch ausgebildet. Bevorzugt ist das Gehäuse durch das zweite Kugelpfannenteil gebildet, sodass das andere Kugelpfannenteil insbesondere durch das erste Kugelpfannenteil gebildet ist. Das erste Kugelpfannenteil ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das erste Kugelpfannenteil mittels der Stelleinrichtung in axialer Richtung relativ zu dem zweiten Kugelpfannenteil verschiebbar. Mittels der Stelleinrichtung kann somit der Druck eingestellt werden, den die Kugelpfannenteile auf die Gelenkkugel ausüben und der insbesondere die Reibung der Gelenkkugel bestimmt. Der von den Kugelpfannenteilen auf die Gelenkkugel ausgeübte Druck kann beispielsweise mittels der Stelleinrichtung variiert und/oder bei einem Verschleiß des Kugelgelenks aufrechterhalten werden. Die Kugelpfannenteile bestehen vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl.
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Bevorzugt liegen die Orte, an denen das zweite Getriebeteil mit den Getriebekugeln in Kontakt steht, in einer quer zur axialen Richtung verlaufenden Ebene. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das zweite Getriebeteil mit Kugelbahnen versehen, in denen die Getriebekugeln geführt sind. Diese Kugelbahnen liegen bevorzugt den Kugelbahnen des ersten Getriebeteils gegenüber, wobei zwei einander gegenüberliegende Kugelbahnen jeweils ein Kugelbahnpaar bilden. Die Getriebekugeln sind somit in den Kugelbahnpaaren geführt und insbesondere von diesen umschlossen. Die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils liegen z.B. in einer quer zur axialen Richtung verlaufenden Ebene oder sind in axialer Richtung geneigt. Vorzugsweise verlaufen die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils in radialer Richtung. Die radiale Richtung ist insbesondere eine oder eine beliebige Richtung, die quer zur axialen Richtung und/oder quer zur Drehachse verläuft. Vorteilhaft sind die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils rings der Drehachse zueinander versetzt. Bevorzugt sind die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils als in dieses eingebrachte Nuten ausgebildet. Die Getriebeteile bestehen bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl. Ferner bestehen die Getriebekugeln bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl. Das erste Getriebeteil ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Ferner ist das zweite Getriebeteil vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Vorteilhaft sind die Getriebeteile relativ zueinander um die Drehachse drehbar, insbesondere mittels des Antriebs. Alternativ zu einem radialen Verlauf können die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils auch um die Drehachse gekrümmt sein. In diesem Fall verlaufen die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils z.B. jeweils entlang einer um die Drehachse herum verlaufenen Spirale. Insbesondere verlaufen die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils in diesem Fall spiralförmig um die Drehachse.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind radial verlaufende Führungen vorgesehen, in denen die Getriebekugeln jeweils in einer radialen Richtung bewegbar geführt sind. Vorteilhaft sind die Führungen und das erste Getriebeteil mittels des Antriebs relativ zueinander um die Drehachse verdrehbar. Die Führungen können an dem zweiten Getriebeteil vorgesehen und z.B. durch dessen Kugelbahnen gebildet sein. Alternativ kann zwischen den Getriebeteilen ein Kugelführungselement mit radial verlaufenden Schlitzen angeordnet sein, in denen die Getriebekugeln bewegbar geführt sind, insbesondere in radialer Richtung. In diesem Fall sind die radial verlaufenden Führungen bevorzugt durch die Schlitze gebildet. Das Kugelführungselement kann z.B. in Form eines Sternrads ausgebildet sein. Beispielsweise ist das Kugelführungselement starr oder drehstarr mit dem zweiten Getriebeteil verbunden. Alternativ kann das Kugelführungselement aber auch relativ zu den Getriebeteilen um die Drehachse drehbar sein. Das Kugelführungselement besteht bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl. Ist das Kugelführungselement vorhanden, können die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils auch entfallen, sodass die dem ersten Getriebeteil zugewandte Stirnseite des zweiten Getriebeteils, an der die Getriebekugeln anliegen, beispielsweise eben ausgebildet ist. Dies ist aber nicht einschränkend zu verstehen, sodass die Kugelbahnen des zweiten Getriebeteils trotz Kugelführungselement vorhanden sein können.
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Das Kugelführungselement ist z.B. mittels des Antriebs relativ zu dem ersten Getriebeteil um die Drehachse drehbar. Durch Drehen des Kugelführungselements um die Drehachse werden die Getriebekugeln entlang der Kugelbahnen geführt, wobei sich aufgrund der in axialer Richtung ansteigenden Kugelbahnen der axiale Abstand zwischen den Getriebeteilen verändert, insbesondere vergrößert. Da die Kugelbahnen um die Drehachse gekrümmt verlaufen, ändert sich insbesondere auch der Abstand der Getriebekugeln zu der Drehachse. Bevorzugt ist aber das erste Getriebeteil mittels des Antriebs um die Drehachse drehbar, insbesondere relativ zu den Getriebekugeln und/oder dem zweiten Getriebeteil. Während einer Drehung des ersten Getriebeteils laufen die Getriebekugeln entlang der Kugelbahnen, wobei sich aufgrund der in axialer Richtung ansteigenden Kugelbahnen der axiale Abstand zwischen den Getriebeteilen verändert, insbesondere vergrößert. Da die Kugelbahnen um die Drehachse gekrümmt verlaufen, ändert sich insbesondere auch der Abstand der Getriebekugeln zu der Drehachse.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das erste Getriebeteil mittels des Antriebs relativ zu dem ersten Kugelpfannenteil um die Drehachse drehbar. Bevorzugt ist das erste Getriebeteil unter Zwischenschaltung von Lagerkugeln mit dem ersten Kugelpfannenteil gekoppelt, wobei die Lagerkugeln in axialer Richtung zwischen dem ersten Getriebeteil und dem ersten Kugelpfannenteil angeordnet sind. Hierdurch kann die Reibung zwischen dem ersten Getriebeteil und dem ersten Kugelpfannenteil gering gehalten werden. Das erste Getriebeteil, die Lagerkugeln und das erste Kugelpfannenteil bilden in diesem Sinne ein Axialkugellager. Vorteilhaft ist an der dem ersten Kugelpfannenteil zugewandten Stirnseite des ersten Getriebeteils eine Rille vorgesehen, in der die Lagerkugeln geführt sind. Die Rille verläuft insbesondere um die Drehachse herum und ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Ferner kann an der dem ersten Getriebeteil zugewandten Seite des ersten Kugelpfannenteils eine Rille vorgesehen sein, in der die Lagerkugeln geführt sind. Diese Rille läuft insbesondere um die Drehachse herum und ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Insbesondere bilden die beiden Rillen ein Rillenpaar, in dem die Lagerkugeln geführt sind und welches insbesondere die Lagerkugeln umschließt. Die Lagerkugeln bestehen bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl.
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Mittels des Antriebs ist insbesondere ein Drehmoment abgebbar, vorzugsweise an das erste Getriebeteil. Ist das Kugelführungselement vorhanden, kann das Drehmoment auch an das Kugelführungselement abgegeben werden. Bevorzugt ist der Antrieb als rotatorischer Antrieb ausgebildet. Da der Hub der Stelleinrichtung auf einer Drehbewegung beruht, ist bei einem rotatorischen Antrieb kein Umwandeln einer translatorischen in eine rotatorische Bewegung erforderlich.
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Der Antrieb kann hydraulisch oder elektrisch ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Antrieb insbesondere mit einer Steuereinrichtung verbunden und mittels dieser steuerbar. Das Kugelgelenk kann die Steuereinrichtung umfassen. Die Steuereinrichtung kann aber auch extern von dem Kugelgelenk vorgesehen sein. Mittels der Steuereinrichtung ist insbesondere der auf die Gelenkkugel ausgeübte Druck steuerbar. Bevorzugt umfasst der Antrieb aber eine Triebfeder oder ist als solche ausgebildet. In diesem Fall kann mittels des Antriebs und/oder der Stelleinrichtung der auf die Gelenkkugel ausgeübte Druck konstant, nahezu konstant oder zumindest in einem vorgegebenen Rahmen gehalten werden, insbesondere über die Lebensdauer des Kugelgelenks. Somit kann ein durch Verschleiß auftretendes Spiel kompensiert werden. Die Triebfeder ist insbesondere vorgespannt. Bevorzugt ist mittels der Triebfeder ein Drehmoment abgebbar, vorzugsweise an das erste Getriebeteil. Ist das Kugelführungselement vorhanden, kann das Drehmoment auch an das Kugelführungselement abgegeben werden. Vorteilhaft ist die Triebfeder als Spiralfeder, als Schenkelfeder, als Drehstabfeder oder als eine andere Drehfeder ausgebildet. Eine Spiralfeder bietet den Vorteil, dass sie im Vergleich zu anderen Federn relativ flach baut und sich somit gut für die Integration in ein Kugelgelenk eignet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Triebfeder mit einem ersten Ende mit dem ersten Getriebeteil und mit einem zweiten Ende mit dem zweiten Getriebeteil gekoppelt. Die Kopplung kann jeweils unmittelbar oder mittelbar erfolgen. Ist das Kugelführungselement vorhanden, kann das zweite Ende der Triebfeder auch mit dem Kugelführungselement gekoppelt sein. Die Federachse der Triebfeder fällt insbesondere mit der Drehachse zusammen. Bevorzugt ist die Triebfeder konzentrisch zu den Getriebeteilen angeordnet.
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Ist die Triebfeder eine Spiralfeder, so ist deren radial äußeres Ende bevorzugt mit dem ersten Getriebeteil verbunden, wobei das radial innere Ende der Spiralfeder bevorzugt mit dem zweiten Getriebeteil und/oder mit einer Federhalterung verbunden ist. Vorzugsweise ist die Spiralfeder axial auf die Federhalterung aufgeschoben. Die Federhalterung ist insbesondere fest mit dem zweiten Getriebeteil verbunden oder durch dieses gebildet. Vorteilhaft ist mittels der Federhalterung die Vorspannung der Triebfeder einstellbar. Bevorzugt ist die Federhalterung als eine in das zweite Getriebeteil und/oder in das zweite Kugelpfannenteil eingeschraubte Schraube ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass durch Drehen der Schraube die Vorspannung der Spiralfeder eingestellt werden kann. Die Schraube kann somit auch als Vorspannschraube oder Justierschraube bezeichnet werden. Insbesondere ist in der Federhalterung ein Schlitz vorgesehen, in den das radial innere Ende der Spiralfeder eingreift. Ferner ist bevorzugt an dem ersten Getriebeteil ein Schlitz vorgesehen, in den das radial äußere Ende der Spiralfeder eingreift.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gelenkkugel unter Zwischenschaltung einer Lagerschale in der Kugelpfanne gelagert. Die Lagerschale kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere umschließt die Lagerschale die Gelenkkugel, die bewegbar, insbesondere drehbar und/oder schwenkbar, in der Lagerschale gelagert ist. Die Lagerschale besteht bevorzugt aus einem nachgiebigen, insbesondere aus einem elastischen Material, sodass der von den Kugelpfannenteilen auf die Lagerschale ausgeübte Druck auch bei einer einteilig ausgebildeten Lagerschale an die Gelenkkugel weitergegeben werden kann. Die Lagerschale bildet insbesondere eine Kugelschale. Bevorzugt besteht die Lagerschale aus Kunststoff.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kugelpfannenteile an ihrer der Gelenkkugel zugewandten Seite jeweils mit einem konischen Bereich versehen. Ferner ist die Lagerschale an ihren den Kugelpfannenteilen zugewandten Seiten bevorzugt mit konischen Bereichen versehen, die an den konischen Bereichen der Kugelpfannenteile abgestützt sind und/oder mit den konischen Bereichen der Kugelpfannenteile zur Anlage gebracht sind. Testergebnisse haben ergeben, dass sich das Drehmoment des Kugelzapfens proportional zu der axialen Kraft verhält, mit der die Kugelpfannenteile auf die Lagerschale drücken.
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Die axiale Kraft, mit der die Kugelpfannenteile auf die Lagerschale drücken, wird durch die Stelleinrichtung aufgebracht. Insbesondere erhöht sich die auf die Gelenkkugel wirkende Reibung mit zunehmender Federvorspannung der Triebfeder. Die Federvorspannung lässt sich dabei sehr einfach durch die Vorspannschraube auf ein gewünschtes Maß einstellen. Da die Kraft der Triebfeder allein in der Regel aber nicht ausreicht, um einen gewünschten Druck auf die Gelenkkugel auszuüben, wird diese Kraft durch das Getriebe vergrößert, welches insbesondere als hochübersetzendes Getriebe ausgebildet ist. Die hohe Übersetzung wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die gekrümmt oder spiralförmig verlaufenden Kugelbahnen eine Steigung von ca. 0,4mm pro Umdrehung aufweisen. Das erste Getriebeteil ist bevorzugt als Stahlring ausgebildet. Ferner sind die Kugelbahnen bevorzugt als gekrümmte oder spiralförmige Kugellaufrillen ausgebildet. Auf seiner dem ersten Kugelpfannenteil zugewandten Seite weist das erste Getriebeteil bevorzugt die Rille für die Lagerkugeln auf. Die Rille ist insbesondere kreisförmig und mit konstanter Tiefe ausgebildet, wobei vorzugsweise die Lagerkugeln des Axialkugellagers in der Rille laufen. Durch die beidseitige Kugellagerung des ersten Getriebeteils ist der Wirkungsgrad des Getriebes hoch. Ferner ist durch die relativ kleine Steigung der gekrümmten oder spiralförmigen Kugelbahnen der Kraftverstärkungsfaktor des Getriebes hoch. Somit kann durch eine kleine Vorspannkraft der Spiralfeder eine sehr große Axialkraft mit hohem Wirkungsgrad in die Kugelpfannenteile eingeleitet werden. Das Getriebe ist bevorzugt selbsthemmend, sodass von außen in das Kugelgelenk eingeleitete, axiale Druckkräfte abgestützt werden können.
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Vorteile des erfindungsgemäßen Kugelgelenks bestehen insbesondere in dem hohen Wirkungsgrad seiner Stelleinrichtung, die zusätzlich auch noch relativ flach ausgebildet werden kann. Bei Einsatz einer Triebfeder ist das Kugelgelenk ferner hinsichtlich der auf die Gelenkkugel wirkenden Reibung selbstjustierend, sodass eine einwandfreie und gleichbleibende Funktion des Kugelgelenks über dessen Lebensdauer sichergestellt werden kann. Auch ist die Reibung mittels der Vorspannschraube einstellbar. Vorteilhaft erfolgt die Selbstjustierung selbstständig, d.h. ohne einen Fremdantrieb und ohne eine ggf. dafür erforderliche Steuerung. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk ist somit robust, kompakt und kostengünstig.
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Durch das erfindungsgemäße Kugelgelenk können Nachteile herkömmlicher Kugelgelenke vermieden werden, da das über die Vorspannung der Lagerschale eingestellte Drehmoment über die Lebensdauer des Kugelgelenks selbst dann aufrecht erhalten werden kann, wenn die Lagerschale mit der Zeit verschleißt. Ferner ist ein Tempern am Ende des Fertigungsprozesses des Kugelgelenks nicht erforderlich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch ein Kugelgelenk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Draufsicht auf das erste Kugelpfannenteil des aus 1 ersichtlichen Getriebes und
- 3 eine Draufsicht auf das zweite Kugelpfannenteil des aus 1 ersichtlichen Getriebes.
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Aus 1 ist ein Längsschnitt durch ein Kugelgelenk 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei ein eine Gelenkkugel 2 aufweisender Kugelzapfen 3 mit seiner Gelenkkugel 2 drehbar und schwenkbar in einer Lagerschale 4 gelagert ist. Die Lagerschale 4 sitzt mit der Gelenkkugel 2 in einem Innenraum 5 eines Gehäuses 6, welches eine um eine Längsachse 16 des Kugelgelenks 1 umlaufende Wandung 7 aufweist, die den Innenraum 5 begrenzt. Die Innenumfangsfläche 8 der Wandung 7 weist einen zylindrischen Bereich 9 und einen sich an diesen anschließenden konischen Bereich 10 auf. Der konische Bereich 10 verjüngt sich in Längsrichtung 16 mit abnehmendem Abstand zu einer Zapfenöffnung 11 des Gehäuses 6, durch welche sich der Kugelzapfen 3 hindurch aus dem Gehäuse 6 heraus erstreckt. Ferner weist die Außenumfangsfläche 12 der Lagerschale 4 einen zylindrischen Bereich 13 und zwei konische Bereiche 14 und 15 auf, die sich jeweils an den zylindrischen Bereich 13 anschließen und in Richtung der Längsachse 16 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Mittelpunkts 17 der Gelenkkugel 2 angeordnet sind. Der konische Bereich 14 der Außenumfangsfläche 12 der Lagerschale 4 liegt an dem konischen Bereich 10 der Innenumfangsfläche 8 der Wandung 7 an. Der konische Bereich 14 folgt dabei dem konischen Bereich 10 und verjüngt sich mit abnehmendem Abstand zur Zapfenöffnung 11. Der konische Bereich 15 verjüngt sich hingegen mit zunehmendem Abstand zur Zapfenöffnung 11. In dem Gehäuse 6 ist ein Ring 18 angeordnet und in Richtung der Längsachse 16 verschiebbar in dem Innenraum 5 geführt. Der Ring 18 weist eine konische Innenumfangsfläche 19 auf, die an dem konischen Bereich 15 anliegt. Die Innenumfangsfläche 19 folgt dabei dem konischen Bereich 15 und verjüngt sich mit zunehmendem Abstand zur Zapfenöffnung 11. Der Ring 18 und das Gehäuse 6 bilden zusammen eine die Gelenkkugel 2 umschließende, zweiteilige Kugelpfanne, in der die Gelenkkugel 2 unter Zwischenschaltung der Lagerschale 4 gelagert ist. Dabei bildet der Ring 18 ein erstes Kugelpfannenteil, und das Gehäuse 6 bildet ein zweites Kugelpfannenteil. Die Längsachse 16 verläuft durch den Mittelpunkt 17 der Gelenkkugel 2 und definiert gleichzeitig eine axiale Richtung des Kugelgelenks 1.
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Der Innenraum 5 weist einen zylindrischen Bereich 20 größeren Durchmessers auf, in dem eine Stelleinrichtung 21 angeordnet ist. Die Stelleinrichtung 21 umfasst ein Getriebe 22, welches ein erstes Getriebeteil 23 und ein zweites Getriebeteil 24 aufweist. Das erste Getriebeteil 23 liegt unter Zwischenschaltung von Lagerkugeln 25 in axialer Richtung an dem Ring 18 an, wobei die Lagerkugeln 25 in ringförmigen und um die Längsachse 16 umlaufenden Rillen 26 und 27 gleichen Durchmessers geführt sind. Die Rille 26 ist in die dem Ring 18 zugewandte Stirnseite des ersten Getriebeteils 23 eingebracht, und die Rille 27 ist in die dem ersten Getriebeteil 23 zugewandte Stirnseite des Rings 18 eingebracht. Das erste Getriebeteil 23, die Lagerkugel 25 und der Ring 18 bilden somit zusammen ein Axialkugellager, wobei das erste Getriebeteil 23 relativ zu dem Ring 18 um die Längsachse 16 drehbar ist.
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Auf der dem zweiten Getriebeteil 24 zugewandten Stirnseite des ersten Getriebeteils 23 sind drei in axialer Richtung ansteigende und spiralförmig um die Längsachse 16 verlaufende Nuten 28, 29 und 30 eingebracht, in denen jeweils eine Getriebekugel 31, 32 bzw. 33 geführt ist, was aus 2 ersichtlich ist. In der dem ersten Getriebeteil 23 zugewandten Stirnfläche des zweiten Getriebeteils 24 sind radial zur Längsachse 16 verlaufende Nuten 34, 35 und 36 eingebracht, in denen die Getriebekugeln 31, 32 und 33 radial geführt sind, was aus 3 ersichtlich ist. Die Nuten 28, 29, 30, 34, 35 und 36 bilden Kugelbahnen für die Getriebekugeln 31, 32 und 33, wobei die Kugelbahnen 28 und 34 ein erstes Kugelbahnpaar bilden, welches die Getriebekugel 31 umschließt. Ferner bilden die Kugelbahnen 29 und 35 ein zweites Kugelbahnpaar, welches die Getriebekugel 32 umschließt. Schließlich bilden die Kugelbahnen 30 und 36 ein drittes Kugelbahnpaar, welches die Getriebekugel 33 umschließt. Die Getriebeteile 23 und 24 liegen somit unter Zwischenschaltung der Getriebekugeln 31, 32 und 33 in axialer Richtung einander an.
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Das zweite Getriebeteil 24 ist an seiner dem ersten Getriebeteil 23 abgewandten Stirnseite durch einen radial nach innen abgebogenen Randbereich 37 der Wandung 7 axial an dem Gehäuse 6 abgestützt. Somit ist auch die Lagerschale 4 über den Ring 18, die Lagerkugeln 25 und das Getriebe 22 axial an dem Gehäuse 6 abgestützt. In der entgegengesetzten Richtung ist die Lagerschale 4 über den konischen Bereich 10 axial an dem Gehäuse 6 abgestützt. Die Lagerschale 4 ist somit axial beidseitig in dem Gehäuse 6 gesichert. Ferner ist das zweite Getriebeteil 24 drehstarr mit dem Gehäuse 6 verbunden.
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Die Stelleinrichtung 21 umfasst einen Antrieb in Form einer vorgespannten Spiralfeder 38, die in einem von dem ringförmig ausgebildeten ersten Getriebeteil 23 begrenzten Raum 39 sitzt. An der den Raum 39 begrenzenden Innenumfangsfläche des ersten Getriebeteils 23 ist ein Schlitz 40 vorgesehen, in den das radial äußere Ende der Spiralfeder 38 eingreift und dadurch an dem ersten Getriebeteil 23 befestigt ist. Die Spiralfeder 38 ist in axialer Richtung auf eine Schraube 41 aufgeschoben, die in das zweite Getriebeteil 24 eingeschraubt ist und in ihrer Außenumfangsfläche einen Schlitz 42 aufweist, in den das radial innere Ende der Spiralfeder 38 eingreift und somit an der Schraube 41 befestigt ist. Die vorgespannte Spiralfeder 38 übt ein Drehmoment auf das erste Getriebeteil 23 aus, welches um die Längsachse 16 drehbar in dem Gehäuse 6 gelagert ist. Das Drehmoment drängt das erste Getriebeteil 23 zu einer Drehung um die Längsachse 16, die somit eine Drehachse bildet. Dabei führt das Drehmoment im Zusammenwirken mit den in Längsrichtung 16 ansteigenden Kugelbahnen 28, 29 und 30 dazu, dass der Ring 18 in Längsrichtung 16 gegen die Lagerschale 4 gedrückt wird. Die von den Getriebekugeln 31, 32 und 33 in den Ring 18 eingeleitete Axialkraft ist dabei schematisch angedeutet und mit dem Buchstaben F gekennzeichnet.
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Der Ring 18 drückt die Lagerschale 4 in Richtung der Längsachse 16 gegen den konischen Bereich 10, sodass die Lagerschale 4 axial zwischen dem Ring 18 dem Gehäuse 6 eingespannt ist. Die Lagerschale 4 besteht aus einem Material, welches sich unter Krafteinwirkung elastisch verformt. Verschleißt die Lagerschale 4 aufgrund längerer Beanspruchung, kann somit ein unerwünschtes Spiel zwischen der Gelenkkugel 2 der Lagerschale 4 verhindert werden, da der Ring 18 die Lagerschale 4 verformt und gegen die Gelenkkugel 2 drückt. Dies funktioniert, solange die Spiralfeder 38 ausreichend unter Spannung steht. Die Spannung der Spiralfeder 38 ist dabei durch Drehen der Schraube 41 einstellbar, weshalb diese auch als Vorspannschraube bezeichnet wird. Da der auf die Lagerschale 4 mittels des Rings 18 ausgeübte Druck zumindest teilweise an die Gelenkkugel 2 weitergegeben wird, lässt sich durch die Vorspannung der Spiralfeder 38 auch die Reibung zwischen der Gelenkkugel 2 und der Lagerschale 4 einstellen.
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Die Zapfenöffnung 11 ist mit einem Dichtungsbalg 43 abgedichtet, der in axialer Richtung einerseits an dem Gehäuse 6 und andererseits an dem Kugelzapfen 3 anliegt, der sich durch den Dichtungsbalg 43 hindurch erstreckt. Der Dichtungsbalg 43 verhindert ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das Innere des Gehäuses 6. Ferner ist es möglich, die der Zapfenöffnung 11 in Längsrichtung 16 gegenüberliegende Gehäuseöffnung 44 abzudichten, beispielsweise mit einer Kappe.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das Getriebeteil 23 in Richtung des Pfeils F, wobei die Lagerkugeln 31, 32 und 33 in den spiralförmigen Kugelbahnen 28, 29 und 30 einliegen. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Getriebeteil 24 in Gegenrichtung des Pfeils F, wobei die Lagerkugeln 31, 32 und 33 in den Kugelbahnen 34, 35 und 36 einliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgelenk
- 2
- Gelenkkugel des Kugelzapfens
- 3
- Kugelzapfen
- 4
- Lagerschale
- 5
- Innenraum des Gehäuses
- 6
- Gehäuse, zweites Kugelpfannenteil
- 7
- Wandung des Gehäuses
- 8
- Innenumfangsfläche der Wandung
- 9
- zylindrischer Bereich der Innenumfangsfläche
- 10
- konischer Bereich der Innenumfangsfläche
- 11
- Zapfenöffnung des Gehäuses
- 12
- Außenumfangsfläche der Lagerschale
- 13
- zylindrischer Bereich der Außenumfangsfläche
- 14
- konischer Bereich der Außenumfangsfläche
- 15
- konischer Bereich der Außenumfangsfläche
- 16
- Längsachse des Kugelgelenks, axiale Richtung
- 17
- Mittelpunkt der Gelenkkugel
- 18
- Ring, erstes Kugelpfannenteil
- 19
- Innenumfangsfläche des Rings
- 20
- Bereich des Innenraums
- 21
- Stelleinrichtung
- 22
- Getriebe der Stelleinrichtung
- 23
- erstes Getriebeteil
- 24
- zweites Getriebeteil
- 25
- Lagerkugel
- 26
- ringförmige Rille
- 27
- ringförmige Rille
- 28
- Kugelbahn
- 29
- Kugelbahn
- 30
- Kugelbahn
- 31
- Getriebekugel
- 32
- Getriebekugel
- 33
- Getriebekugel
- 34
- Kugelbahn
- 35
- Kugelbahn
- 36
- Kugelbahn
- 37
- abgebogener Rand der Wandung
- 38
- Spiralfeder, Antrieb der Stelleinrichtung
- 39
- Raum im ersten Getriebeteil
- 40
- Schlitz im ersten Getriebeteil
- 41
- Vorspannschraube
- 42
- Schlitz in Vorspannschraube
- 43
- Dichtungsbalg
- 44
- Gehäuseöffnung
- F
- Kraft
