DE102011106818A1

DE102011106818A1 - Kugelgelenkzapfen mit Schmiernuten, Herstellungsverfahren und Kraftfahrzeug-Achsgelenk

Info

Publication number: DE102011106818A1
Application number: DE102011106818A
Authority: DE
Inventors: Markus Gützlaff; Stephan Kuschel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Kuschel Stephan Dipl-Ing De
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Kugelgelenkzapfen (1) mit einem Kugelabschnitt (3) und einem Zapfenabschnitt bereit, der zum Einbau in ein Achsgelenk eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, das eine Kugelschale zum Lager des Kugelgelenkzapfens (1) umfasst. Der Kugelabschnitt (3) hat eine makroskopisch glatte Oberfläche, die zumindest eine Vertiefung (2) zur Aufnahme von Schmiermittel aufweist. Ferner werden ein Kraftfahrzeug-Achsgelenk, das einen in einer Kugelschale gelagerten Kugelgelenkzapfen (1) aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkzapfens (1) offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelgelenkzapfen, der zum Einbau in ein Achsgelenk eines Kraftfahrzeugs geeignet ist und der Schmiernuten aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug-Achsgelenk, das den Kugelgelenkzapfen aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung des Kugelgelenkzapfens.
Kugelgelenkzapfen zum Einbau in Achsgelenke eines Kraftfahrzeugs müssen auf geeignete Weise geschmiert werden, um die Anforderungen an ein niedriges Losbrechmoment, eine niedrige Reibung und einen geringen Verschleiß zu erfüllen.
Es ist daher aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Schmiertaschen oder Nuten in den Kugelabschnitt einzubringen aus denen ein geeignetes Schmiermittel austreten kann, um den Kugelabschnitt in seiner Kugelschale im Betrieb zu schmieren.
So wird in der DE 39 30 825 A1 ein Kugelgelenk beschrieben, dessen Kugelelement in einer Buchse aufgenommen ist, wobei der Kugelabschnitt des Kugelelements zum wirksamen Schmieren der miteinander in Berührung stehenden Oberflächen der Kugel und der Buchse eine Vielzahl winziger Vertiefungen in der Kugeloberfläche zur Aufnahme eines Schmiermittels während der Verwendung umfasst. Die Grenzfläche zwischen der Kugeloberfläche und jeder darin ausgebildeten Vertiefung ist abgerundet und nicht scharfkantig ausgebildet, so dass das Schmiermittel bei der relativen winkelmäßigen Verschiebung des Kugelelements und des Buchsenelements in einfacher Weise in die Vertiefungen hinein und aus diesen heraus fließt. Die Vertiefungen werden dort durch Behandlung in einer Trommel oder durch Sandstrahlen ausgebildet, so dass das Kugelelement insgesamt nachteilig keine glatte Oberfläche aufweist.
Ein Gelenkzapfen mit einer geglätteten, rollierten oder gewalzten und beschichteten Kugeloberfläche ist aus der WO 2006/087072 A1 bekannt: Der Zapfen wird auf bekannte Weise durch Zerspanen hergestellt und anschließend durch Galvanisieren beschichtet. Die Beschichtung wird durch Rollieren oder Walzen geglättet, so dass die Verringerung der Reibung allein durch das Glätten erreicht wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, einen Kugelgelenkzapfen zu schaffen, der eine möglichst glatte Oberfläche am Kugelabschnitt aufweist und der dennoch eine Schmierung im Gelenk ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Kugelgelenkzapfen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die entsprechend weitere Aufgabe der Schaffung eines verschleißoptimierten Achsgelenks für ein Kraftfahrzeug wird mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kugelgelenkzapfens wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Weiterbildungen der Vorrichtungen und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenkzapfens, der einen Kugelabschnitt und einem Zapfenabschnitt hat, ist zum Einbau in ein Achsgelenk eines Kraftfahrzeugs geeignet, in dem eine entsprechende Kugelschale zum Lagern des Kugelgelenkzapfens vorliegt. Dabei weist der Kugelabschnitt vorteilhaft eine makroskopisch glatte Oberfläche auf, die über wenigstens eine Vertiefung zur Aufnahme von Schmiermittel verfügt. So ist die Gesamtoberfläche des Kugelabschnitts bereits so glatt wie möglich, so dass bereits eine Reduktion der Reibung und eine Verringerung des Losbrechmoments erreicht wird, die sich durch das aus der Vertiefung austretende Schmiermittel weiter verringern.
Vorteilhaft kann es sich bei der Vertiefung um eine spiralförmige, den Kugelabschnitt umlaufende Nut mit rollierten Nuträndern handeln, so dass durch die Spirale eine in Bezug auf die Abrollbewegung ideale Vertiefungsform gegeben ist, aus der durch die rollierten abgerundeten Nutränder das Schmiermittel auf geeignete Weise austreten kann.
Weitere im Hinblick auf die Abrollbewegung der Kugel des Zapfens im Gelenk geeignete Nutformen können durch mehrere parallel verlaufende und/oder sich kreuzende spiralförmige Nuten, die den Kugelabschnitt umlaufen und die ebenfalls rollierte Nutränder haben, oder durch mehrere parallel verlaufende und/oder sich kreuzende umfängliche Ringnuten mit rollierten Nuträndern gegeben sein.
Alternativ können die Vertiefungen auch durch Oberflächenstrukturen geschaffen werden, die die makroskopisch glatte Oberfläche nicht zerstören und deren Verlauf und Form durch ein Zielabrollverhalten des Kugelabschnitts in der Kugelschale vorbestimmt ist.
In Frage kommen dabei insbesondere Mikrostruktur-Vertiefungen, die winzigste Schmiermitteltaschen ausbilden.
Ein vorteilhaft verbessertes Kraftfahrzeug-Achsgelenk verfügt daher über einen in einer Kugelschale gelagerten erfindungsgemäßen Kugelgelenkzapfen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen erfindungsgemäßen Kugelgelenkzapfens mit einer makroskopisch glatten Oberfläche des Kugelabschnitts, die zumindest eine Vertiefung zur Aufnahme von Schmiermittel hat, sieht daher zunächst das Fertigen des Kugelgelenkzapfens aus Metall oder einer Metalllegierung vor. Dies kann auf bekannte Weise, etwa durch Zerspanen, erfolgen. Dann wird eine makroskopisch glatte Oberfläche auf der Kugeloberfläche erzeugt, was etwa durch Walzen und Rollieren und/oder gegebenenfalls zusätzlich Polieren geschehen kann. Dann erfolgt das Einbringen der einen oder mehreren Vertiefungen, die das Schmiermittel führen sollen, in die makroskopisch glatte Oberfläche des Kugelabschnitts, und schließlich das Rollieren der Nutränder, wobei die Nuten Vertiefungen mit abgerundeten Rändern zur Aufnahme von Schmiermittel ausbilden.
Hierbei kann die spiralförmige, den Kugelabschnitt umlaufende Nut oder können mehrere solcher Nuten derart ausgebildet werden, dass zwei oder mehrere der Nuten parallel verlaufen und/oder sich kreuzen. Das Einbringen der Nuten kann etwa unter Verwendung eines Drehmeißels geschehen, wie auch das alternative Einbringen mehrerer parallel verlaufender und/oder sich kreuzender umfänglicher Ringnuten in den Kugelabschnitt.
Das Verfahren kann ferner das Vorbestimmen des Verlaufs und der Form von Oberflächenstrukturen als die Schmiermittel aufnehmende Vertiefungen durch das Zielabrollverhalten des Kugelabschnitts in der Kugelschale vorsehen, und weiter das entsprechende Einbringen der Oberflächenstrukturen in den Kugelabschnitt, etwa durch Lasern.
Alternativ können zur Schmierstoffaufnahme auch Mikrostrukturen in die makroskopisch glatte Oberfläche eingebracht werden, was vorzugsweise durch Lasern oder Ätzen erfolgt.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Seitenansicht des Kugelgelenkzapfens mit einer umlaufenden Spiralnut,
2 eine Seitenansicht des Kugelgelenkzapfens mit einer Mikrostruktur.
Die Erfindung betrifft einen Kugelgelenkzapfen 1 mit einem Kugelabschnitt 3 und einem Zapfenabschnitt, der zum Einbau in ein Achsgelenk eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, siehe 1 und 2. Das Kugelgelenk umfasst eine Kugelschale zum Lager des Kugelgelenkzapfens 1, in der der Kugelgelenkzapfen 1 ein niedriges Losbrechmoment, eine geringe Reibung und geringen Verschleiß aufweisen soll. Daher wird in den Kugelabschnitt 3 bzw. dessen makroskopisch glatte Oberfläche eine Vertiefung wie die in 1 gezeigte spiralförmige den Kugelabschnitt 3 umlaufende Nut 2 eingebracht. In einfacher Weise kann die Nut 2 in Form der Schmierspirale mittels eines Drehmeißels erzeugt werden. Hierdurch wird eine Gleichverteilung von Schmiermittel über die Kugel erreicht. Die Nutränder der Nut 2 werden nach dem Einbringen mit einem Drehmeißel einem Rolliervorgang unterzogen, so dass Nutranderhöhungen beseitigt und der Schmiermitteltransport aus den Nuten 2 zuverlässig ermöglicht wird. Aufgrund der sanften Form der Nutausbildung bzw. der Abrundung der Nutränder erfolgt vorteilhaft keine Verschleisserhöhung.
Bleiben die Nutränder hingegen scharfkantig, so funktioniert die Schmierung nur unzureichend und der Verschleiß zwischen Kugelabschnitt 3 und Kugelschale im Betrieb ist erhöht.
Bei heutigen Gelenkkonstruktionen führt eine hohe Vorspannung des Gelenksystems dazu, dass das Fett während Stillstandszeiten aus den Bereichen mit hoher Flächenpressung verdrängt wird. Dies führt zu hohen Losbrechmomenten beim erstmaligen Bewegen nach einem Stillstand. Viele kleine Fettreservoire auf dem Kugelgelenkzapfen sorgen dafür, dass auch an den hochbelasteten Stellen immer Fett vorhanden ist. Somit kommt es nicht zu den erwähnten hohen Losbrechmomenten.
Um den Verschleiß eines Gelenkes zu minimieren, wird erfindungsgemäß eine möglichst glatte, bzw. makroskopisch glatte Kugelabschnitt-Oberfläche angestrebt. Weil dies jedoch im Widerspruch zu einer aus tribologischer Sicht optimalen Fläche steht, die eine gewisse Rauhigkeit aufweisen sollte, aus der der Schmierstoff nicht verdrängt werden kann, werden entweder erfindungsgemäße Nuten 2 wie die spiralförmige, oder auch mehrere parallel verlaufende und/oder sich kreuzende spiralförmige, den Kugelabschnitt umlaufende Nuten 2 mit rollierten Nuträndern, oder mehrere parallel verlaufende und/oder sich kreuzende umfängliche Ringnuten mit rollierten Nuträndern vorgesehen. Es ist auch möglich, andere Oberflächenstrukturen in die an sich glatte Oberfläche des Kugelabschnitts 3 einzubringen, deren Verlauf und Form durch das Zielabrollverhalten des Kugelabschnitts 3 in der Kugelschale vorbestimmt ist.
Zur Aufnahme von Schmiermittel in dem Kugelabschnitt 3 können ferner auch Mikrostrukturen 2, siehe 2 in dessen Oberfläche eingebracht werden. Solche Oberflächen werden bereits industriell zur Reibungs- bzw. Verschleißminderung eingesetzt, etwa für Zylinderlaufbahnen in Verbrennungsmotoren, nicht jedoch für gattungsgemäße Gegenstände. Die Oberfläche des Kugelgelenkzapfens 1 wird durch die Mikrostrukturen mit kleinsten Fetttaschen versehen, die für einen beständigen Schmierstofffilm zwischen den Gleitpartnern sorgen.
So wird durch die in die glatte Oberfläche des Kugelabschnitts 3 eingebrachten Mikroschmierstofftaschen der Widerspruch gelöst, dass einerseits eine glatte Oberfläche zur Reibungsverminderung und andererseits gewisse Rauhigkeiten für den Schmierstoffrückhalt vorliegen sollten. Die Form, Größe und Anordnung der Taschen kann hierbei von Gelenk zu Gelenk unterschiedlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3930825 A1 [0004]
WO 2006/087072 A1 [0005]

Claims

Kugelgelenkzapfen (1) mit einem Kugelabschnitt (3) und einem Zapfenabschnitt, geeignet zum Einbau in ein Achsgelenk eines Kraftfahrzeugs, das eine Kugelschale zum Lagern des Kugelgelenkzapfens (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelabschnitt (3) eine makroskopisch glatte Oberfläche hat, die zumindest eine Vertiefung (2) zur Aufnahme von Schmiermittel aufweist.
Kugelgelenkzapfen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (2) eine spiralförmige, den Kugelabschnitt (3) umlaufende Nut (2) mit rollierten Nuträndern ist, oder die Vertiefungen (2) mehrere parallel verlaufende und/oder sich kreuzende spiralförmige, den Kugelabschnitt (3) umlaufende Nuten (2) mit rollierten Nuträndern, oder mehrere parallel verlaufende und/oder sich kreuzende umfängliche Ringnuten mit rollierten Nuträndern, oder die Vertiefung (2) Oberflächenstrukturen sind, deren Verlauf und Form durch ein Zielabrollverhalten des Kugelabschnitts (3) in der Kugelschale vorbestimmt ist.
Kugelgelenkzapfen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (2) mikrostrukturiert sind.
Kraftfahrzeug-Achsgelenk, das einen in einer Kugelschale gelagerten Kugelgelenkzapfen (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelgelenkzapfen (1) ein Kugelgelenkzapfen (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkzapfens (1) mit einer makroskopisch glatten Oberfläche des Kugelabschnitts, die zumindest eine Vertiefung (2) zur Aufnahme von Schmiermittel hat, umfassend die Schritte – Fertigen des Kugelgelenkzapfens (1) aus Metall oder einer Metalllegierung, – Herstellen der makroskopisch glatten Oberfläche des Kugelabschnitts, – Einbringen der zumindest einen Vertiefung (2) zur Aufnahme von Schmiermittel.
Verfahren nach Anspruch 5, umfassend den Schritt – Einbringen einer spiralförmigen, den Kugelabschnitt (3) umlaufenden Nut (2) in den Kugelabschnitt (3), oder – Einbringen mehrerer spiralförmiger, den Kugelabschnitt (3) umlaufender Nuten (2) derart, dass zwei oder mehrere der Nuten (2) parallel verlaufen und/oder sich kreuzen, oder – Einbringen mehrerer parallel verlaufender und/oder sich kreuzender umfänglicher Ringnuten in den Kugelabschnitt (3), und Rollieren der Nutränder, wobei die Nuten Vertiefungen (2) mit abgerundeten Rändern zur Aufnahme von Schmiermittel ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Einbringen der Nut (2) oder der Nuten (2) mittels Drehmeißel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, umfassend den Schritt – Vorbestimmen des Verlaufs und der Form von Oberflächenstrukturen als die Schmiermittel aufnehmende Vertiefungen (2) durch ein Zielabrollverhalten des Kugelabschnitts (3) in der Kugelschale und – Einbringen der Oberflächenstrukturen in den Kugelabschnitts (3), insbesondere durch Lasern.
Verfahren nach Anspruch 5, umfassend den Schritt – Einbringen der Mikrostrukturen in den Kugelabschnitt (3) als Schmierstofftaschen, insbesondere durch Lasern oder Ätzen.