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Die Erfindung betrifft einen Kugelzapfen aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. ein Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
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Aus der
DE 10 2008 040 689 A1 ist ein derartiger Kugelzapfen bzw ein entsprechendes Kugelgelenk bekannt. Hiernach wird ein Verfahren zum Realisieren einer Randschichthärtung mittels Induktion beschrieben. Aufgrund verschiedener Nachteile des Induktionsverfahrens wird die Verwendung hochmanganhaltiger Stähle vorgeschlagen, um auf eine Randschichthärtung mittels Induktion verzichten zu können.
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Die
DE 10 2006 043 067 A1 beschreibt die Herstellung eines Kugelzapfens, wobei die Oberfläche zur Oberflächenhärtung nitriert wird. Hierbei wird das Gewinde des Kugelzapfens von der Nitrierung mittels einer Vorrichtung zur Isolierung ausgespart.
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Bei unter statischer Vorlast stehenden Traggelenken, beispielsweise im Fahrwerksbereich am Kraftfahrzeug, ist das tribologische System des Gelenks in bestimmten Situationen (z.B. Ruhezeiten in Kombination mit nur minimalen Gelenkbewegungen, oder Autobahnfahrt) besonders hoch belastet, was unter Umständen zum frühzeitigen Verschleiß oder Ausfall des Gelenks führen kann. Dies hängt damit zusammen, dass das im Kugelgelenk befindliche Schmiermittel in solchen Situationen - durch die hohe Last in Verbindung mit allenfalls geringen Gelenkbewegungen - teilweise aus dem Kontaktbereich zwischen Kugelzapfen und Lagerschale verdrängt wird. Hierdurch verschiebt sich die in einem Kugelgelenk stets gegebene Mischreibung zwischen Flüssigkeitsreibung und Festkörperreibung stärker in Richtung der Festkörperreibung, mit entsprechenden, nachteiligen Folgen für den Gelenkverschleiß. Eine andere bei Kugelgelenken bekannte Problematik liegt in der Korrosion insbesondere im Dichtungsbalg-Abdichtbereich des Kugelzapfens bzw. - beim Eindringen von Feuchtigkeit in das Kugelgelenk - auch im Lagerspalt zwischen Gelenkkugel und Kugelschale. Auch hierdurch ergibt sich ein erhöhter Lagerverschleiß, was schließlich zu Spielbildung und Gelenkausfall führen kann.
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Korrosionsgeschützte Kugelzapfen sind, ebenso wie Kugelzapfen mit verschleißgeschützter Oberfläche oder Kugelzapfen mit erhöhter Dauerfestigkeit, aus dem Stand der Technik bekannt. Dauerfestigkeit sowie Verschleißschutz werden gemäß Stand der Technik dabei primär durch die mit Vergütung bzw. Randschichthärtung verbundenen Verbesserungen der Materialeigenschaften erreicht, im Fall der Randschichthärtung insbesondere an der Oberfläche des Kugelzapfens.
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Eine bekannte Maßnahme gegen Korrosion im Dichtungsbalg-Abdichtbereich bzw. im Kontaktbereich zwischen Gelenkkugel und Kugelschale besteht im Einsatz von nitrierten und anschließend oxidierten Kugelzapfen. Gemäß bestehender Erkenntnis dient die Nitrierung des Kugelzapfens dabei unmittelbar dem Korrosionsschutz, während die abschließende Oxidation die bei der Nitrierung entstandenen Poren verschließt, wodurch sich die Korrosionsstandzeit nochmals erhöht. Die nach der Nitrierung erfolgende Oxidation dient gemäß bestehender Erkenntnis somit lediglich einer Verbesserung der Korrosionseigenschaften eines ansonsten blanken Kugelzapfens aus Stahl.
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In dem aus dem Stand der Technik bekannten Behandlungsverfahren schließen sich Nitrierbehandlung und Randschichthärtung gegenseitig aus. Denn entweder wird die Randschichthärtung - aufgrund der zum Nitrieren notwendigen, hohen Prozesstemperaturen - beeinträchtigt bzw. rückgängig gemacht, oder es wird umgekehrt durch einen Randschichthärtungsprozess die vorherige Nitrierung und damit der Korrosionsschutz wieder zerstört. Das Problem besteht dabei darin, dass die - im Hinblick auf hohe Dauerfestigkeit bzw. hohe Traglast wie auch Verschleißschutz - gewünschte Randschichthärtung des Kugelzapfens typischerweise in denselben Oberflächenbereichen des Zapfens erfolgen soll, den auch die Nitrierbehandlung schützen sollte, nämlich primär im Bereich der Gelenkkugel sowie ggf. im Dichtungsbalg-Abdichtbereich des Kugelzapfens.
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Zusammenfassend besteht im Stand der Technik somit das Problem, dass die im Hinblick auf Korrosionsschutz wünschenswerte Nitrierung des Kugelzapfens einerseits, und die im Hinblick auf hohe Lebensdauer bzw. Verschleißschutz erwünschte Randschichthärtung andererseits, einander bei einem Kugelzapfen - gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten Lehre - bisher ausschließen.
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Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kugelzapfen bzw. ein Kugelgelenk zu schaffen, bei denen hohe Dauerfestigkeit, guter Verschleißschutz und damit hohe Lebensdauer - insbesondere unter Betriebszuständen mit statischer Vorlast und bei Mikrobewegungen, oder unter hoher Betriebslast - erreicht wird. Ein reduzierter Korrosionsschutz in Teilbereichen des Kugelzapfen z. B. im Abdichtbereich wird dabei zugunsten des Verschleißschutzes in Kauf genommen bzw. durch andere technische Lösungen wie zum Beispiel einem zusätzlichen korrosionsgeschützen Gleitring kompensiert. Insbesondere jedoch soll der bisher beim Stand der Technik bestehende gegenseitige Ausschluss zwischen Randschichthärtung einerseits, und Nitrierung/Oxidation andererseits überwunden werden, um so einen verbesserten Verschleißschutz auch bei randschichtgehärteten Zapfen überhaupt erst zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kugelzapfen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bzw. durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen von Patentanspruch 2 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Kugelzapfen besteht aus Stahl, weist auf zumindest einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Randschichthärtung (insbesondere zur Erhöhung der Betriebs- und Dauerfestigkeit) auf, und ist zum Einsatz bei hoher statischer Vorlast und/oder bei Mikrobewegungen und hoher Betriebslast vorgesehen, also bei geringer oder ausbleibender Gelenkbewegung bzw. bei zumindest zeitweise überwiegender Festkörperreibung im Gelenkspalt.
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Kugelzapfen bzw. Kugelgelenke zeichnen sich dadurch aus, dass der Verschleißschutz durch eine Nitrierschicht des Kugelzapfens gebildet ist. Die Nitrierschicht ist dabei auf einem Teilbereich der Oberfläche des Kugelzapfens angeordnet, wobei der mit der Nitrierschicht versehene Teilbereich der Kugelzapfenoberfläche zugleich keine Randschichthärtung aufweist. Für die teilweise Nitrierung von Kugelzapfen eignet sich neben dem Gasnitrieren insbesondere das Plasmanitrieren bzw. Plasmanitrocarburieren.
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Der Hintergrund der Erfindung besteht dabei in der Erkenntnis der Anmelderin, gemäß der eine Nitrierschicht auf der Oberfläche des Kugelzapfens nicht nur (wie aus dem Stand der Technik bekannt) das Korrosionsverhalten eines Kugelzapfens bzw. Kugelgelenks verbessert, sondern überdies auch zu einem erheblich verbesserten Verschleißverhalten der Lagerung führt.
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Dies gilt insbesondere unter den eingangs beschriebenen Randbedingungen von hoher statischer Vorlast oder hoher Betriebslast, beispielsweise nach längeren Ruhezeiten des Kugelgelenks unter Last, bzw. während Betriebszeiten, in denen primär nur Mikrobewegungen und damit überwiegend Festkörperreibung im Gelenk auftreten.
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Die Anmelderin hat erkannt, dass die divergierenden (sich im Stand der Technik noch gegenseitig ausschließenden) Anforderungen an einen Kugelzapfen sowohl bezüglich Härte/Dauerfestigkeit und Korrosionsschutz als auch bezüglich Verschleißbeständigkeit dadurch erfüllt werden können, dass Nitrierung (Korrosionsschutz, Verschleißschutz bei überwiegender Festkörperreibung) und Randschichthärtung (Festigkeit, Dauerfestigkeit, Verschleißschutz) bereichsweise so am Kugelzapfen angeordnet werden, dass einerseits die eingangs genannten Anforderungen an ein gattungsgemäßes Kugelgelenk optimal erfüllt werden, andererseits jedoch der bisher bestehende gegenseitige Ausschluss von Randschichthärtung und Nitrierung eliminiert wird.
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Dies bedeutet mit anderen Worten, dass mit der Erfindung das Nitrieren des Kugelzapfens (welches aus dem Stand der Technik allenfalls zum Zweck der Verbesserung des Korrosionsverhaltens von Kugelgelenken bekannt ist) nun zur definierten Verbesserung des Verschleißverhaltens am Kugelgelenk eingesetzt werden kann, indem zumindest ein (nicht randschichtgehärteter) Teilbereich der Oberfläche des Kugelzapfens mit einer Nitrierschicht - in deren neuer Funktion als Verschleißschutz - versehen wird.
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Dabei können nunmehr auch randschichtgehärtete und damit besonders betriebs- und dauerfeste Kugelzapfen mit einem zusätzlichen Korrosions- und Verschleißschutz und damit mit der gewünschten Eignung zum Einsatz bei vorwiegender Festkörperreibung (in Ruhezeiten bzw. bei Mikrobewegungen) versehen werden, was gemäß der Lehre des Standes der Technik - aufgrund des gegenseitigen Ausschlusses von Randschichthärtung und Nitrierung, sowie aufgrund der nicht bekannten Vorteile der Nitrierung als Verschleißschutz bei Kugelgelenken - bisher ausgeschlossen war.
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Randschichthärtung und Nitrierung schließen sich für diesen Einsatzzweck nicht gegenseitig aus, da diese mit der Erfindung in unterschiedlichen Bereichen des Kugelzapfens angeordnet werden; die Randschichthärtung beispielsweise in den besonders hoch bezüglich Biegewechselfestigkeit belasteten Hals- und Schaftbereichen des Kugelzapfens einerseits, und die Nitrierung (nun primär als Verschleißschutz) in dem besonders hoch bezüglich Verschleiß belasteten Lagerkontaktbereich des Kugelzapfens zwischen Gelenkkugel und Lagerschale andererseits.
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Die Erfindung stellt somit randschichtgehärtete Zapfen mit einer hohen Dauerfestigkeit und gleichzeitig hohem Verschleißschutz bereit.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kugelzapfen zumindest auf einem Teilbereich seiner Oberfläche auch eine Oxidschicht, insbesondere eine Eisenoxidschicht, aufweist. Die Oxidschicht, die vorzugsweise zumindest den nitrierten Oberflächen-Teilbereich des Kugelzapfens umfasst, dient dabei der zusätzlichen Stabilisierung der Nitrierschicht, sowohl im Hinblick auf den Korrosionsschutz als auch im Hinblick auf die Stabilisierung und weitere Verbesserung des Verschleißschutzes, der mit der Nitrierschicht verbunden ist.
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Die Erfindung wird dabei zunächst unabhängig davon verwirklicht, welche Teilbereiche der Oberfläche des Kugelzapfens eine Randschichthärtung umfassen, und welche (anderen) Oberflächen-Teilbereiche mit einer Nitrierschicht versehen sind, solange die Bereiche unterschiedlicher Oberflächenbehandlung den unterschiedlichen Oberflächenanforderungen in diesen Bereichen zugeordnet sind.
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Erfindungsgemäß befindet sich der keine Randschichthärtung, aber eine Nitrierschicht aufweisende Oberflächen-Teilbereich des Kugelzapfens jedoch auf der Gelenkkugel, und zwar in einem Lagerkontaktbereich von Gelenkkugel und Lagerschale. Auf diese Weise kann der auf Verschleiß hochbelastete Lagerkontaktbereich zwischen Gelenkkugel und Lagerschale - insbesondere bei hoher statischer Vorlast oder bei Mikrobewegungen unter vorwiegender Festkörperreibung - mit der Nitrierschicht eine sowohl vor Verschleiß als auch vor Korrosion schützende Beschichtung erhalten. Gleichzeitig kann die restliche Oberfläche des Kugelzapfens nach wie vor (ggf. bereichsweise) mit einer Randschicht-härtung versehen werden, um so gleichzeitig die Dauerfestigkeit des Kugelzapfens zu erhöhen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Gelenkkugel auf einem vom Pol bis über den Äquator reichenden Lagerkontaktbereich eine Nitrierschicht sowie ggf. eine Oxidschicht auf. Der restliche Flächenbereich der Gelenkkugel ist dabei nicht mit einer Nitrierschicht versehen. Vorzugsweise ist die Gelenkkugel dabei in demjenigen Flächenbereich, der keine Nitrierschicht aufweist, randschichtgehärtet.
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Auf diese Weise lässt sich ein Kugelzapfen erhalten, der in dem vorwiegend bezüglich Abrieb und/oder Korrosion belasteten Bereich der Gelenkkugel (der den schaftabgewandten Pol der Gelenkkugel bis zum Bereich jenseits des Äquators der Gelenkkugel umfasst) dank der Nitrierung ein besonders gutes Verschleißverhalten und einen guten Korrosionsschutz aufweist, während gleichzeitig die bezüglich Dauerfestigkeit mechanisch hochbelasteten Bereiche im Übergang zwischen Gelenkkugel und Schaft eine dort vorteilhafte Randschichthärtung erhalten können.
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Es wird somit die im Stand der Technik noch vorhandene Beschränkung aufgehoben, gemäß der sich Nitrierbehandlung und Randschichthärtung an einem Kugelzapfen gegenseitig bislang ausgeschlossen haben. Dementsprechend lassen sich die Eigenschaften des Kugelzapfens dahingehend optimieren, dass Nitrierung (und ggf. Oxidation) und Randschichthärtung jeweils in denjenigen spezifischen Bereichen des Kugelzapfens angeordnet werden, in denen sie die jeweils optimale Wirkung im Hinblick auf Verschleißschutz und Dauerfestigkeit entfalten.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich der Bereich der Randschichthärtung des Kugelzapfens über einen Halsbereich, einen Abdichtungsbereich sowie zumindest teilweise über einen Schaftbereich des Kugel-zapfens. Auf diese Weise können die mechanisch hochbelasteten Bereiche des Kugelzapfens (insbesondere bezüglich Biegung bzw. Wechselfestigkeit) eine Randschichthärtung erhalten, während der vorwiegend bezüglich Abrieb und/oder Korrosion belastete Bereich der Gelenkkugel zwischen Pol und Äquator keine Randschichthärtung aufweist, und daher die dort im Hinblick auf Verschleißfestigkeit und Korrosions-beständigkeit besonders wünschenswerte Nitrierung (sowie ggf. auch Oxidation) erhalten kann.
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Auch der Gewindebereich des Kugelzapfens kann auf diese Weise von der Randschichthärtung ausgenommen und stattdessen mit einer Nitrierung (und/oder Oxidation) versehen werden, um so insbesondere im Endbereich des Kugelzapfengewindes eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit zu erzielen und gleichzeitig die erforderliche Zähigkeit des Gewindes nicht zu beeinträchtigen.
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Mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Kugelzapfen auch in zumindest Teilen des Schaftbereichs und/oder des Kugelzapfen-Gewindebereichs eine Nitrierschicht (und damit in diesen Bereichen keine Randschichthärtung) aufweist.
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Der Kugelzapfen kann gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zudem auch zumindest bereichsweise poliert und/oder vergütet sein. Der Poliervorgang kann dabei wahlweise vor dem Randschichthärten, aber auch nach dem Randschichthärten vorgenommen werden, letzteres insbesondere falls besonders hohe Anforderungen an Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und/oder Festigkeit in den randschichtgehärteten Bereichen gestellt werden. Der polierte Bereich kann dabei insbesondere die (z.B. teilweise nitrierte) gesamte Gelenkkugel sowie den Halsbereich und den Abdichtungsbereich des Kugelzapfens umfassen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellender Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige
- Fig.: einen Kugelzapfen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht.
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Man erkennt den Kugelzapfen, der eine Gelenkkugel 1, einen Schaftbereich 2, einen Halsbereich 3, einen Abdichtungsbereich 4 (zur Anlage eines Dichtungsbalgs) und einen Gewindebereich 5 aufweist.
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Der dargestellte Kugelzapfen ist dabei in einem vom Pol 11 bis über den Äquator 12 reichenden Teilbereich 6 der Gelenkkugel 1, sowie im Bereich des Gewindeauslaufs 7 mit einer Nitrierschicht versehen. Dabei sorgt die Nitrierschicht in den Bereichen 6 und 7 nach wie vor nicht nur für einen guten Korrosionsschutz, sondern ist - wie dies die Anmelderin erkannt hat - auch besonders verschleißbeständig. Damit eignet sich der dargestellte Kugelzapfen besonders zum Einsatz bei hoher statischer Vorlast und/oder für häufige Betriebszeiten mit Mikrobewegungen, in denen die Festkörperreibung zwischen Kugelzapfen und Kugelschale überwiegt.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel für einen Kugelzapfen besitzt ferner über seine gesamte Länge bzw. Oberfläche 8 eine Oxidschicht, insbesondere eine Eisenoxidschicht. Die Oxidschicht führt zu einer weiteren Verbesserung des Korrosionsschutzes, und erhöht - gemäß Erkenntnis der Anmelderin - im Bereich der Gelenkkugel 1 zudem auch weiter die Verschleißbeständigkeit im Lagerkontaktbereich zwischen Gelenkkugel 1 und der (nicht abgebildeten) Kugelschale des Kugelgelenks.
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Zudem ist der dargestellte Kugelzapfen in dem (auch mit strichpunktierter Linie kenntlich gemachten) Bereich 9 mit einer Randschichthärtung versehen. In diesem Bereich treten die höchsten mechanischen Belastungen auf, denen mit der Randschichthärtung, im Hinblick auf die Erhöhung der Dauerfestigkeit des Kugelzapfens, zusätzlich Rechnung getragen wird.
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Schließlich weist die dargestellte Ausführungsform des Kugelzapfens einen Polierbereich 10 auf. Durch die Politur des Kugelzapfens im Bereich 10 erhöht sich weiter sowohl die Korrosionsbeständigkeit als auch die Verschleißbeständigkeit und die Dauerfestigkeit.
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Dank der Erfindung kann der Kugelzapfen somit in den jeweils spezifischen Anforderungen unterliegenden Abschnitten bzw. Oberflächenbereichen mit den jeweils geforderten Eigenschaften versehen werden, ohne dass dabei funktionelle Konflikte oder (wie beim Stand der Technik) gegenseitige Ausschlüsse bei der
Oberflächenbehandlung bzw. bei der Erfüllung der Anforderungsprofile auftreten.
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Bezugszeichen
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- 1
- Gelenkkugel
- 2
- Schaftbereich
- 3
- Halsbereich
- 4
- Abdichtungsbereich
- 5
- Gewindebereich
- 6
- Nitrierbereich, Lagerkontaktbereich
- 7
- Nitrierbereich
- 8
- Oberfläche, oxidierter Bereich
- 9
- Härtezone
- 10
- Polierbereich
- 11
- Polbereich
- 12
- Äquatorbereich
