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Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit Überlastsicherung, beispielsweise für Radaufhängungen oder Lenkung von Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Gattungsgemäße Kugelgelenke kommen beispielsweise bei Kraftfahrzeugen zur Verbindung von Lenkern oder Spurstangen mit Radaufhängung, Lenkgetriebe bzw. Chassis zum Einsatz. Dort dienen die gattungsgemäßen Kugelgelenke insbesondere der Übertragung von Druck- und Zugkräften, und damit zusammen mit den zugehörigen Lenkern bzw. Spurstangen der Radführung sowie – bei gelenkten Achsen – der Einstellung und Aufrechterhaltung des jeweiligen Lenkwinkels am Radträger.
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Neben der grundsätzlichen Anforderung nach Betriebssicherheit und geringer Masse ist bei Lenkerelementen oder Spurstangen bzw. deren Kugelgelenken auch ein kontrolliertes Versagensverhalten im Crash- oder Überlastfall von Bedeutung. Dabei soll die Überlastsicherung von Lenkern bzw. Spurstangengelenken auch bei hoher Überlast nicht komplett versagen bzw. sich nicht separieren, um eine grundsätzliche Fahrfähigkeit bzw. Lenkfähigkeit des Fahrzeugs auch nach dem Überlastfall noch zu gewährleisten. Zudem soll dem Fahrer des Kraftfahrzeugs – beispielsweise mittels Spiel oder Lenkradfehlstellung – signalisiert werden, dass eine Überlastsicherung im Fahrwerk angesprochen hat, dass also eventuelle Beschädigungen im sicherheitsrelevanten Bereich der Lenkung bzw. Radaufhängung aufgetreten sind. Der Fahrer soll nach dem Ansprechen der Überlastsicherung somit ein deutliches Signal erhalten, dass das Fahrzeug bzw. die Radaufhängung eine Inspektion benötigt und nicht weiter betrieben werden darf.
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Schließlich führen aktuelle Entwicklungen im Bereich der Fahrwerkstechnik dazu, dass die bei Lenkerelementen, beispielsweise Spurstangen, auftretenden Kräfte aus Betriebslasten und Sonderereignissen sowie das geforderte Versagenskraftfenster immer enger beieinander liegen, von der Überlastsicherung aber nach wie vor differenziert werden müssen, weshalb eine Überlastsicherung auch unter diesen Bedingungen zuverlässig und reproduzierbar zwischen Betriebslast und Versagenslast unterscheiden muss.
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Mit diesem Hintergrund erhalten aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 10 2006 019 341 B3 bekannte Lenkerelemente oder Spurstangen mit Kugelgelenken üblicherweise eine definierte Versagenssicherheit bei Druckbelastung dadurch, dass konstruktiv eine vorbestimmte Knickstabilität vorgesehen wird, bei deren Überschreitung Lenker bzw. Spurstange an der Knickstelle ausknicken. Auch bekannt ist es, beispielsweise aus der
DE 39 15 991 A1 , in die Lenker bzw. Spurstange zusätzlich eingebaute Überlastsicherungen vorzusehen, die bei Überschreitung einer definierten Zug- oder auch Drucklast unter Energieaufnahme eine kontrollierte Verformung bzw. Längenänderung des Lenkers oder der Spurstange erlauben. Auf diese Weise soll ein kontrollierter Energieabbau im Crashfall unterstützt und angrenzende Bauteile (wie beispielsweise Achsschenkel oder Lenkgetriebe) vor Zerstörung geschützt werden. Bekannte Überlastsicherungen für Lenker oder Spurstangen mit Kugelgelenken werden im Stand der Technik dabei häufig als Wellrohrabschnitte, als Reibelemente oder als umzustülpende bzw. abzuwickelnde Blechstreifen- oder Drahtanordnungen ausgebildet.
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Diese bekannten Überlastsicherungen sind jedoch konstruktiv vergleichsweise aufwändig, benötigen zur Erzielung der gewünschten Steifigkeit im Normalbetrieb ggf. zusätzliche Reibelemente, und nehmen im Bereich der Radaufhängung knappen Bauraum ein. Überlastsicherungen, die lediglich auf Knickbiegung (oder Streckung) von Lenkerabschnitten beruhen, erlauben hingegen keine genaue Einstellung bzw. Abgrenzung zwischen Betriebslast und Auslösekraft. Auch können dort (insbesondere unbemerkt) geringe Verformungen auftreten, die zu sicherheitsrelevanter Vorschädigung führen können.
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Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kugelgelenk mit Überlastsicherung zu schaffen, mit dem die genannten Grenzen des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll das Kugelgelenk das im Fahrwerksbereich erwünschte, definierte Versagensverhalten im Crash- oder Überlastfall aufweisen, sprich, die Überlastsicherung soll im Normalbetrieb eine hohe Steifigkeit aufweisen, während die Versagenslast gleichzeitig exakt definierbar und dauerhaft reproduzierbar sein soll, ferner soll nach dem Versagen ein bestimmter, begrenzter Deformationsweg bereitgestellt werden, und im Überlastfall bzw. bei weiterer Krafterhöhung soll zunächst kein Totalversagen der Überlastsicherung eintreten. Zudem soll die Fahr- bzw. Lenkfähigkeit des Fahrzeugs auch im Versagensfall noch erhalten bleiben, und es soll eine eindeutige Signalisierung für den Fahrzeugführer bezüglich der im Fahrwerk aufgetretenen Überlast erfolgen. Dabei sollen diese Anforderungen an das Kugelgelenk durch konstruktiv möglichst einfache und damit kostengünstig darstellbare Maßnahmen gelöst 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 Kugelgelenk mit Überlastsicherung umfasst ein Gelenkgehäuse und einen Lagerzapfen mit einem Kugelbereich und einen Schaftbereich. Das Kugelgelenk zeichnet sich jedoch durch ein am Gelenkgehäuse schaftbereichsseitig angeordnetes Fangelement aus, welches mit dem Gelenkgehäuse verbunden ist. Die Verbindung von Gelenkgehäuse und Fangelement kann formschlüssig oder aber stoffschlüssig ausgebildet sein. Gelenkgehäuse und Fangelement können als separate Bauteile gefügt oder aber einstückig ausgebildet sein.
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Das Fangelement weist eine vom Lagerzapfen des Kugelgelenks durchsetzte Ausnehmung auf, welche kleiner ist als der Durchmesser des Kugelbereichs des Lagerzapfens.
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Der Ausdruck "kleiner als der Durchmesser des Kugelbereichs des Lagerzapfens" ist im Sinne der Erfindung dabei so zu verstehen, dass die Form und Größe der Ausnehmung des Fangelements so gewählt ist, dass die Kugel des Lagerzapfens die Ausnehmung nicht passieren kann.
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Auf diese Weise kann der Lagerzapfen des Kugelgelenks (im Falle einer Überlast in Zugrichtung auf das Kugelgelenk) ein Stück weit aus dem Gelenkgehäuse herausgezogen werden, dies insbesondere unter elastischer und/oder plastischer Verformung zumindest von Teilbereichen des Gelenkgehäuses. Dieses Herausziehen des Lagerzapfens aus dem Gelenkgehäuse kann jedoch nur so weit erfolgen, bis die Kugel des Lagerzapfens gelenkgehäuseseitig an den Rändern der Ausnehmung des Fangelements anschlägt bzw. zur Anlage kommt. Sobald die Kugel dergestalt gelenkgehäuseseitig an der Ausnehmung des Fangelements anliegt, verhindert das Fangelement – da der Kugeldurchmesser des Lagerzapfens größer ist als die Ausnehmung des Fangelements, sowie aufgrund der Verbindung des Fangelements mit dem Gelenkgehäuse – weiteres Herausziehen des Lagerzapfens aus dem Gelenkgehäuse und stellt somit einen Notlaufbetrieb für das zuvor überlastete Kugelgelenk sicher.
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Das Kugelgelenk mit Überlastsicherung erlaubt somit – reproduzierbar und weitgehend unabhängig voneinander – die jeweils konstruktive Festlegung der wesentlichen Parameter der Überlastsicherung wie Steifigkeit, Zugkraftfenster im Betrieb, Auslösekraft, Verformungsenergie und Verformungsweg. Durch das Fangelement wird ein Totalausfall (Separierung) der Überlastsicherung bzw. des Kugelgelenks unterbunden, sicherheitsrelevante Notlaufeigenschaften werden aufrechterhalten, und durch Veränderung des Lagerspiels bzw. der wirksamen Länge des Kugelgelenks erfolgt eine Signalisierung des eingetretenen Überlastfalls. Diese kann sich z.B. als Schiefstellung eines Rades auswirken, die dann vom Fahrer von außen am Fahrzeug ersichtlich ist. Sie kann aber auch im Fahrzeug durch Schiefstellung des Lenkrades erkannt werden. Insgesamt werden mit dem Kugelgelenk gemäß der Erfindung die Anforderungen an eine Überlastsicherung gewichtssparend sowie auf kostengünstige Weise erfüllt, gleichzeitig ist für die Überlastsicherung nur minimaler zusätzlicher Bauraum im Bereich des Kugelgelenks erforderlich.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Fangelements dabei kreisförmig ausgebildet. Dies erlaubt eine einfache, kostengünstige Herstellung des Fangelements und eine sichere Anlage der Kugel des Lagerzapfens. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Fangelement topfförmig, bzw. als Fangtopf ausgebildet. Dabei ist die Ausnehmung im Bodenbereich des Fangtopfes angeordnet. Auch diese Ausführungsform erlaubt die besonders einfache Darstellung des Fangelements insbesondere in Form einer Hülse mit eingezogenem Kragen, wobei der Rand des Kragens wiederum die Ausnehmung des Fangelements bildet.
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Die Verbindung zwischen dem insbesondere als Fangtopf ausgebildeten Fangelement und dem Gelenkgehäuse lässt sich einfach und kostengünstig dadurch herstellen, dass das Fangelement bzw. der Fangtopf mit dem Gelenkgehäuse verschraubt, verschweißt oder verpresst wird, Letzteres vorzugsweise unter zusätzlicher Bildung von Formschluss zwischen Fangelement und Gelenkgehäuse, beispielsweise durch einen Hinterschnitt oder durch Sicken. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Fangelement bzw. der Fangtopf im Fall einer Überlast in Zugrichtung vom Gelenkgehäuse abgezogen wird. Im Falle der Verschraubung liegt an dem Gehäuse ein Außengewinde vor, so dass das Fangelement auf das Gehäuse aufgeschraubt werden kann.
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Bei einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gelenkgehäuse auf der Seite des Lagerzapfens bzw. des Lagerzapfenschafts einen in radialer Richtung eingezogenen (einwärts verjüngten) Umgriffsbereich auf, wodurch die Kugel des Lagerzapfens kinematisch bestimmt im Gelenkgehäuse eingeschlossen ist. Die Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der eingezogene Umgriffsbereich des Gelenkgehäuses nach radial außen plastisch verformbar ist.
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Hierdurch kann die Gelenkkugel bzw. der Kugelzapfen – im Fall von Überlast auf das Kugelgelenk in Zugrichtung – unter plastischer Verformung des Umgriffsbereichs am Gelenkgehäuse um ein bestimmtes Maß aus seinem im Normalbetrieb kinematisch bestimmten Sitz im Gelenkgehäuse herausgezogen werden. Die Kugel des Lagerzapfens kann dabei so weit aus dem Gelenkgehäuse herausgezogen werden, bis der Fangtopf bzw. das Fangelement mittels Anschlags der Kugel an der Ausnehmung des Fangelements das Herausziehen stoppt. Auf diese Weise wird somit – durch die plastische Verformung des Umgriffsbereichs – zunächst Verformungsenergie vom Kugelgelenk aufgenommen und absorbiert, wodurch Kraftspitzen abgebaut und egalisiert werden. Hierdurch werden angrenzende Bauteile, beispielsweise ein Lenkgetriebe, vor Beschädigung durch Überlastung geschützt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Gelenkgehäuse eine Lagerschale zur gleitenden Aufnahme des Lagerzapfen-Kugelbereichs angeordnet. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerschale so eingerichtet ist, dass sie – im Fall von Zugkraftüberlastung des Kugelgelenks – zusammen mit der Gelenkkugel axial aus dem Gelenkgehäuse herausgleiten kann. Auf diese Weise lässt sich das Kraftfenster für Beginn und Kraftverlauf des Versagens bei Zugkraftüberlastung – durch geeignete Wahl der Oberflächengeometrie bzw. der Gleitpaarung zwischen der Außenoberfläche der Lagerschale und der Innenoberfläche des Gelenkgehäuses – konstruktiv genau definieren bzw. einstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich des Gelenkgehäuses ein elektrischer Leiter so angeordnet, dass dieser bei einer Verformung des Gelenkgehäuses, insbesondere im radial eingezogenen Umgriffsbereich des Gelenkgehäuses, durchtrennt wird. Diese Ausführungsform ermöglicht die elektronische Überwachung der Überlastsicherung des Kugelgelenks. Dies erfolgt dadurch, dass bei entsprechender Verformung des Gelenkgehäuses der Leiter durchtrennt wird, wodurch der Stromkreis geöffnet und der Überlastfall signalisiert wird. Infolgedessen kann dem Fahrer über ein zugehöriges Steuergerät und den Bordcomputer mitgeteilt werden, dass beispielsweise ein Lenkungsbauteil überlastet wurde, wodurch der Fahrer über die Störung informiert wird und sie abstellen lassen kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: ein Kugelgelenk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Ausgangsstellung im Normalbetrieb; und
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2: das Kugelgelenk gemäß 1 bei Überlast in Zugrichtung.
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1 zeigt ein als Axialgelenk ausgebildetes Kugelgelenk mit Überlastsicherung gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Schnittdarstellung. Man erkennt ein Gelenkgehäuse 1 mit einem Gewindebereich 2 zur Verbindung mit einer Anschlussbaugruppe, beispielsweise mit einem Lenkgetriebe (nicht dargestellt) sowie die im Gelenkgehäuse 1 aufgenommene Kugel 3 des Kugelgelenk-Lagerzapfens, der außer der Kugel 3 einen Schaftbereich 4 umfasst, welcher in den Figuren nur teilweise dargestellt ist. Der Schaftbereich 4 ist seinerseits mit einem weiteren Anschlussbauteil verbunden, beispielsweise mit der (hier nicht dargestellten) Spurstange einer Vorderradaufhängung eines Kraftfahrzeugs.
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Zwischen der Kugel 3 des Lagerzapfens 3, 4 und der Innenoberfläche des Gelenkgehäuses 1 ist ferner eine beispielsweise aus Kunststoff bestehende Lagerschale 5 angeordnet, welche einer Verbesserung des Gleit- und Verschleißverhaltens des Kugelgelenks dient. Zur Verringerung bzw. zum Ausgleich des Lagerspiels ist zwischen der Lagerschale 5 und dem Gelenkgehäuse 1 noch eine Elastomerfeder in Form eines Gummirings 6 angeordnet.
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In 1 erkennt man zudem einen radial einwärts eingezogenen Umgriffsbereich 7 des Gelenkgehäuses 1. Der Umgriffsbereich 7 sorgt dafür, dass die Gelenkkugel 3 kinematisch bestimmt bzw. formschlüssig im Gelenkgehäuse 1 eingeschlossen ist, so dass insbesondere auch Zugkräfte in Axialrichtung des Kugelgelenks übertragen werden können.
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Das Kugelgelenk gemäß der dargestellten Ausführungsform umfasst ferner ein Fangelement 8, welches hier als topfförmiges Element bzw. als Fangtopf ausgebildet ist. Das Fangelement 8 besitzt einen Durchbruch 9, welcher vom Schaft 4 des Lagerzapfens 3, 4 durchragt wird, wobei das Fangelement 8 zudem fest mit dem Gelenkgehäuse 1 verbunden ist.
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Man erkennt, dass die Anordnung des Fangelements 8 nur minimalen zusätzlichen Bauraum im Bereich des Kugelgelenks erfordert. Dies bedeutet auch, dass die gesamte hier im unmittelbaren Bereich des Kugelgelenks angeordnete Überlastsicherung dank der Erfindung ohne weiteres beispielsweise unter dem Elastomerbalg der Lenkmanschette am Lenkgetriebe angeordnet werden kann. Auf diese Weise ist nicht nur das Kugelgelenk, sondern auch die Überlastsicherung vor Korrosion und Umgebungsmedien geschützt, so dass die konstruktiv festgelegten Eigenschaften auch der Überlastsicherung dauerhaft reproduzierbar sind bzw. erhalten bleiben.
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2 zeigt das Kugelgelenk gemäß 1 im Moment bzw. kurz nach einer aufgetretenen Überlast F in Zugrichtung. Man erkennt, dass der Lagerzapfen mit der Kugel 3 durch die Überlast F um ein Maß d aus dem Gelenkgehäuse 1 herausgezogen wurde. Hierdurch wurde der Umgriffsbereich 7 des Gelenkgehäuses 1, welcher im Normalbetrieb des Kugelgelenks gemäß 1 die Kugel 3 des Lagerzapfens kinematisch bestimmt bzw. formschlüssig gelagert im Gelenkgehäuse 1 einschließt, nach radial außen verformt, wie durch die Pfeile V angedeutet.
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Hierdurch wird bei Überlast in Zugrichtung somit zunächst einmal ein axialer Verformungsweg d im Kugelgelenk freigegeben, und gleichzeitig wird durch die zumindest teilweise plastische Verformung des Umgriffsbereich 7 des Gelenkgehäuses ein Teil der bei der Überlastung aufgetretenen Energie bzw. der entsprechenden Kraftspitzen aufgenommen bzw. abgebaut. Auf diese Weise kann Schaden von angrenzenden Bauteilen, insbesondere von Radträger und/oder Lenkgetriebe ferngehalten werden, was die Kosten einer anschließenden Reparatur der Radaufhängung entscheidend verringern kann.
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Das Fangelement 8 verhindert dabei gemäß der Darstellung in 2, dass die Gelenkkugel 3 gänzlich aus dem Gelenkgehäuse 1 herausgezogen wird, was zur Separierung des Kugelgelenks und beispielsweise zum Verlust der Lenkbarkeit des Kraftfahrzeugs führen könnte. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem das Fangelement 8 als topfförmige Hülse mit kreisförmigem Durchbruch 9 ausgebildet ist, erfolgt die Begrenzung des Verformungswegs d durch Anschlag des Randes der Lagerschale 5 an der Innenkante des kreisförmigen Durchbruchs 9 des Fangelements 8.
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Dadurch, dass auf diese Weise die Gelenkkugel 3 und der Rand des Durchbruchs 9 nicht direkt, sondern über den dazwischen befindlichen Rand der Lagerschale 5 aneinander stoßen, wird zusätzlich noch der Anstoß der Gelenkkugel 3 am Durchbruch 9 am Ende des axialen Verformungswegs d abgedämpft, was ebenfalls der Verringerung von Kraftspitzen und der Vermeidung von Beschädigungen von Anschlussbaugruppen dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gelenkgehäuse
- 2
- Gewindebereich
- 3
- Gelenkkugel, Kugelbereich
- 4
- Lagerzapfen-Schaftbereich
- 5
- Lagerschale
- 6
- Elastomerfeder, Gummiring
- 7
- Lagerschalen-Umgriffsbereich
- 8
- Fangelement, Fangtopf
- 9
- Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006019341 B3 [0005]
- DE 3915991 A1 [0005]
