DE102013221964B3

DE102013221964B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks

Info

Publication number: DE102013221964B3
Application number: DE102013221964.4A
Authority: DE
Inventors: Hermann Frye; Guido Remme; Stefan Kloecker; Christian Hoyer; Thorsten Schulze
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: WO2015062796A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks, wobei das Kugelgelenk wenigstens einen Kugelzapfen und ein Gehäuse, zur gleitbeweglichen Aufnahme des Kugelzapfens aufweist, wobei zwischen Kugelzapfen und Gehäuse eine Lagerschale angeordnet ist. Das Verfahren zeichnet ist aus durch die innerhalb einer Montagelinie unmittelbar erfolgenden Schritte: Erwärmen des Kugelzapfens, Vormontieren des Kugelgelenks mit Lagerschale, Kugelzapfen und Gehäuse, Schließen des Gehäuses, Tempern des Kugelgelenks sowie der Endmontage des Kugelgelenks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks, wobei das Kugelgelenk wenigstens einen Kugelzapfen und ein Gehäuse, zur gleitbeweglichen Aufnahme des Kugelzapfens aufweist, wobei zwischen Kugelzapfen und Gehäuse eine Lagerschale angeordnet ist. Gemäß den weiteren unabhängigen Patentansprüchen betrifft die Erfindung des Weiteren eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks sowie ein Kugelgelenk hergestellt nach dem Verfahren sowie mittels der Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks.
Es ist bekannt, dass das Zusammenspiel der Kugelfläche des Kugelzapfens, der die Kugelfläche umgebenden Lagerschale sowie der die Lagerschale aufnehmenden Ausnehmung des Gehäuses wesentlich die Funktionsweise sowie die Lebensdauer von Kugelgelenken beeinflusst. Aus der DE 103 47 815 A1 ist bekannt, dass nach Abschluss des vollständigen Montageprozesses des Kugelgelenkes das fertig hergestellte Kugelgelenk einem weiteren abschließenden Prozess unterzogen wird. Bei diesem Prozess wird das gesamte Kugelgelenk in einem Ofen erwärmt (auch Tempern genannt), so dass sich vorhandene Spannungen im Lagerschalenmaterial ausgleichen lassen, die aufgrund des Herstellprozesses entstanden sind. Dieser als sogenannter Temperprozess bekannte Produktionsschritt bringt allerdings eine Unterbrechung des normalen Fertigungsablaufes mit sich, da die Kugelgelenke aus der Fertigungsanlage manuell entnommen werden müssen, um diese dem Temperofen zuzuführen. Auch ist das Bereitstellen des separaten Temperofens mit nicht unerheblichen Kosten verbunden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Herstellungsverfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenkes nach dem Verfahren bereitzustellen, so dass sich insgesamt eine kostengünstige Herstellung ergibt.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks, wobei das Kugelgelenk wenigstens einen Kugelzapfen und ein Gehäuse, zur gleitbeweglichen Aufnahme des Kugelzapfens aufweist, wobei zwischen Kugelzapfen und Gehäuse eine Lagerschale angeordnet ist. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die innerhalb einer Montagelinie unmittelbar erfolgenden Schritte:

– Erwärmen des Kugelzapfens
– Vormontage des Kugelgelenks mit Kugelzapfen, Lagerschale und Gehäuse
– Schließen des Gehäuses
– Tempern des Kugelgelenks
– Abkühlen des Kugelgelenks
– Endmontage des Kugelgelenks

Unter einem Kugelzapfen wird eine Kugel mit einem an dieser angeordneten Zapfen als auch eine Kugelhülse verstanden, die beidseits der Kugel jeweils einen Zapfen entlang einer gemeinsamen Längsachse aufweist. Die Längsachse verläuft jeweils durch den Mittelpunkt der Kugel. Die Kugelhülse kann hohl oder aus vollem Material bestehen.
Durch die innerhalb der Montagelinie unmittelbar erfolgenden Schritte ist es nicht mehr erforderlich, dass das Kugelgelenk nach dessen Vormontage der Fertigungsanlage entnommen werden muss, um das einzelne oder mehrere Kugelgelenke anschließend einem separaten Temperprozess mittels eines Ofens zuzuführen. Das vorliegende Verfahren teilt den einzigen Montageprozess vielmehr in Vormontage und Endmontage auf, die jedoch innerhalb der Montagelinie unmittelbar ohne Unterbrechung erfolgen.
Nachdem der Kugelzapfen in der Montagelinie bereitgestellt wird, wird dieser zunächst erwärmt. Da es sich bei einem Kugelzapfen um ein massives Bauteil handelt, und es nicht ausreichend ist, nur eine äußere Randschicht der Kugel des Kugelzapfens gering zu erwärmen, ist eine annähernde Durchwärmung des gesamten Materials der Kugel erforderlich. Wäre nur die Randschicht erwärmt, so würde dieses zum Tempern des Kugelgelenkes nicht ausreichen. Damit die annähernde Durchwärmung in kurzer Zeit gelingt, wird ein entsprechend hoher Energieeintrag gewählt. Dieser führt zu einer für den weiteren Prozess ausreichend hohen Erwärmung, wie noch erläutert wird. Damit das aus Kunststoff bestehende Lagerschalenmaterial auf der Kugel nicht schmilzt ist nach dem Erwärmen zunächst ggfs. ein Abkühlen des Kugelzapfens erforderlich. Der Kugelzapfen wird maximal soweit abgekühlt, bis dieser eine noch ausreichende Temperatur aufweist, damit nach dem Beenden der Vormontage innerhalb des Kugelgelenkes noch eine ausreichende Wärme vorhanden ist, um ein zuverlässiges Tempern sicherzustellen.
Kurz nach der Erwärmung bzw. nach ausreichender Abkühlung, vorzugsweise nach ca. 3–5 Sekunden, wird die Lagerschale auf der Kugel des Kugelzapfens montiert. Vorzugsweise weist die Oberflächentemperatur der Kugel zu diesem Zeitpunkt etwa 110–160°C auf.
Alternativ und je nach Ausbildung der Lagerschale (einteilig, mehrteilig, Schnappschale), kann die gesamte Lagerschale oder auch ein Teil dieser vor dem Montieren des Kugelzapfens in das Gehäuse eingelegt werden.
Es folgt das Montieren des Kugelzapfens in das Gehäuse. Dabei wird der Kugelzapfen mit der Lagerschale oder Teilen der Lagerschale in das Gehäuse eingebracht, wobei auf den Kugelzapfen zumeist eine Presskraft gegenüber dem Gehäuse ausgeübt wird, so dass nach Fertigstellung des Kugelgelenkes ein spezifisches Losbrechmoment für den jeweiligen Einsatzzweck bzw. für das jeweilige Kugelgelenk vorhanden ist. Es ist offensichtlich, dass hierdurch Spannungen in der Lagerschale entstehen, wie diese auch schon zum Stand der Technik erwähnt wurden.
Unter Beibehaltung der Beaufschlagung mit der vorgesehenen Presskraft erfolgt ein Schließen des Gehäuses. Das Schließen des Gehäuses kann mittels Aufbringen einer Montagekraft erfolgen, wobei das nach oben offene Gehäuse zur Kugel hin durch Umformen zugedrückt wird.
Alternativ kann auch ein Gehäusedeckel oder ein Verschlussring eingesetzt werden, der nach Überstülpen über den Zapfen des Kugelzapfens ebenfalls in das Gehäuse eingeführt wird und auf die Lagerschale beziehungsweise die Kugel drückt. Der Verschlussring oder der Deckel kann mittels beispielsweise Verrollen oder aber durch Verschweißen mit dem Gehäuse gefügt werden.
Unmittelbar nach dem Schließen des Gehäuses setzt das Tempern ein. Der Kugelzapfen besitzt immer noch ausreichend Wärmeenergie, um das Tempern innerhalb des Kugelgelenkes sicher gewährleisten zu können. Das Tempern dauert wenige Minuten, vorzugsweise etwa 2 Minuten. Innerhalb dieser Zeit hat sich die Lagerschale gesetzt beziehungsweise deren Material entspannt.
Das Kugelgelenk wird nach dem Tempern der Endmontage, zugeführt und mit den notwendigen Bauteilen, wie beispielsweise einem vor Korrosion schützenden Dichtungsbalg bestückt. Es ist ersichtlich, dass nach Abschluss der Endmontage das Kugelgelenk quasi betriebsbereit ist, da außer einem gegebenenfalls erforderlichen weiteren Abkühlen auf Raumtemperatur kein weiterer Fertigungsschritt zur kompletten Fertigstellung beziehungsweise Herstellung des Kugelgelenkes erforderlich ist.
Die Endmontage beinhaltet die Montage eines vor Korrosion schützenden Dichtungsbalges mitsamt den benötigen Sicherungselementen sowie erforderlichenfalls die Zuführung von Schmiermittel. Als Sicherungselemente kommen zum Beispiel Spannringe zum Einsatz, die den Dichtungsbalg dort auf dem Kugelzapfen und/oder am Gehäuse in Position hält, an dem dieser die jeweiligen Bauteile staub- und feuchtdicht umschließt. Der Dichtungsbalg ist aus einem Elastomer gebildet, vorzugsweise Gummi.
Bevorzugt folgt das Erwärmen des Kugelzapfens berührungslos durch Induktion oder Infrarotstrahlung. Um eine umlaufende gleichmäßige und schnelle Erwärmung, insbesondere der Kugel des Kugelzapfens, zu gewährleisten, wird der Kugelzapfen mittels der Montagevorrichtung in eine Kupferspule überführt. Alternativ kann die Kupferspule auch dem Kugelzapfen zugeführt werden. Wichtig ist dabei, dass die Kupferspule den Umfang der Kugel des Kugelzapfens vollständig umringt, so dass die Kugel auch bezüglich ihrer Längserstreckung entlang der Längsachse des Kugelzapfens sich vollständig innerhalb der Kupferspule befindet. Die Wendel beziehungsweise spiralförmig ausgebildete Kupferspule wird bevorzugt mit Wechselstrom betrieben. Durch die Induktion kann die massiv ausgebildete Kugel innerhalb von wenigen Sekunden, vorzugsweise 2–6 Sekunden, vollständig erwärmt beziehungsweise erhitzt werden, so dass die Oberfläche der Kugel eine für den Tempervorgang ausreichende Temperatur aufweist. Die Dauer der Erwärmung hängt von der Ausgangstemperatur der Kugel, deren Durchmesser sowie vom Material der Lagerschale ab.
Das Erwärmen erfolgt leistungs- oder zeitgesteuert und/oder durch einen berührungslosen Temperatursensor gesteuert. Da der Kugelzapfen zur Vormontage mit seinem (oder im Falle der Kugelhülse einem) von der Kugel abgewandten Ende in die Montagvorrichtung eingespannt beziehungsweise dort festgelegt ist, kann beispielsweise ein mittig- und oberhalb der Kugel in der Montagevorrichtung angeordneter Temperatursensor, der bevorzugt als Infrarotsensor ausgebildet ist, eine genaue Temperaturbestimmung vornehmen. Die induktive Erwärmung wird somit rechtzeitig abgeschaltet, wenn der Temperatursensor die ausreichende Temperatur an die Steuerung der Montagevorrichtung signalisiert.
Alternativ wird, gegebenenfalls zusätzlich, vor der Erwärmung die Temperatur der Kugel festgestellt und die zur ausreichenden bzw. vorgesehenen Erwärmung der Kugel benötigte Wärmeenergie von einer Steuerung berechnet.
Alternativ oder zusätzlich kann zeitgesteuert ein Erwärmen erfolgen, wobei die Abschaltung dann nach einer empirisch ermittelten Zeit vorgenommen wird. Die Dauer der Erwärmung ist offensichtlich länger, je niedriger die Ausgangstemperatur der Kugel ist.
Erfolgt die Erwärmung alternativ oder zusätzlich leistungsgesteuert, so ist die zugeführte Leistung höher, je niedriger die gemessene Ausgangstemperatur der Kugel bzw. des Kugelzapfens ist, um die Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur, um die Erwärmung innerhalb einer vorbestimmen Zeit bzw. eines Zeitintervall zu bewerkstelligen. Insbesondere sind bei der Herstellung eines Bauteils Kugelgelenk Taktzeiten für bestimmte Herstellschritte vorgegeben, so dass die leistungsgesteuerte Erwärmung in dieser Hinsicht zu bevorzugen ist.
Wie zuvor bereits gesagt, muss die massive Kugel, die üblicherweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, gleichmäßig erwärmt werden, und das nach Möglichkeit in kürzester Zeit. Die Kugel erreicht durch die induktive Erwärmung eine hohe Temperatur innerhalb von wenigen Sekunden, so dass ein kontrolliertes Abschalten notwendig ist, weil eine zu hohe Temperatur die Kunststofflagerschale beziehungsweise deren Kunststoffmaterial zum Schmelzen bringen würde. Kommt als Lagerschale beispielsweise POM (Polyoxymethylen) oder PEEK (Polyetheretherketon) in Frage so ist je nach Material eine Tempertemperatur zwischen 110° und 160° Celsius ausreichend. Während des Temperns kühlt das Kugelgelenk natürlicherweise ab.
Nach dem Tempern kühlt das vormontierte Kugelgelenk weiter ab. Dieses Abkühlen wird bevorzugt kontrolliert in einer Kühlstrecke vorgenommen. Bevorzugt erfolgt das Abkühlen innerhalb einer variablen Kühlstrecke. Die Kühlstrecke gehört zur Montagelinie beziehungsweise zur Montagevorrichtung dazu, so dass der erwärmte Kugelzapfen unmittelbar nach dem Tempern in die Kühlstrecke einfließt bzw. einfließen kann. Unter der Kühlstrecke ist ein Transportband zu verstehen, mit der das Kugelgelenk mit seinem von der Kugel abgewandten Ende eingeführt ist und transportiert wird. Die Kühlstrecke kann dabei variabel gehalten werden, so dass je nach Anzahl der zu kühlenden Kugelzapfen beziehungsweise der zu erzielenden Kühlleistung die Kühlstrecke in ihrer Länge variiert werden kann. Die Kühlstrecke ist dabei so in die Montagelinie integriert, dass das Kugelgelenk verzugslos, zum Beispiel durch eine entsprechende Übergabeeinheit (z. B. per Greifer) in die Kühlstrecke übernommen werden kann.
Das Abkühlen innerhalb der Kühlstrecke wird zum einen von deren Länge und zum anderen von der Transportgeschwindigkeit des Transportbandes bestimmt. Sollte das Abkühlen innerhalb der Kühlstrecke, das im Regelfall bei Raumtemperatur (Umgebungstemperatur) der Produktionsmaschine stattfindet, nicht bis zum Erreichen des Endes des Transportbandes beziehungsweise des Endmontagepunktes in der Montagevorrichtung bewerkstelligt werden können, so ist eine zusätzliche Möglichkeit zur Abkühlung vorzusehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Abkühlen innerhalb der Kühlstrecke durch eine zusätzliche Abkühlvorrichtung bewirkt. Als zusätzliche Abkühlvorrichtung können elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betriebene Kühlgebläse eingesetzt werden oder es ist auch eine Abkühlung in einem flüssigen Medium in Form eines Tauchbades vorstellbar. Bei letzterem wäre das Transportband so zu gestalten, dass die Kugelzapfen mittels des Transportbandes bereichsweise durch ein Tauchbad geführt werden.
Bevorzugt wird die Dauer und/oder Art des Abkühlens in Abhängigkeit der beim Erwärmen erreichten Kugelzapfentemperatur eingestellt. Es wurde zuvor bereits gesagt, dass je nach Ausführung des Kugelgelenkes, insbesondere nach Wahl des Kunststoffwerkstoffes für die Lagerschale, eine gewisse Temperatur vorzusehen ist. Es ist offensichtlich, dass Kugelzapfen mit geringem Durchmesser mittels der induktiven Erwärmung schneller auf die benötigte Temperatur gebracht werden können, als Kugelzapfen mit einem vergleichsweise größeren Durchmesser. Auch kann für ein vergleichsweise höheres Produktionsaufkommen, also einer höheren Anzahl an Kugelzapfen innerhalb der Montagelinie pro Zeiteinheit bei vorgegebener Kugelzapfentemperatur eine ausreichend Abkühlung innerhalb der Kühlstrecke nicht ausreichend möglich sein. Das Verfahren kann daher vorsehen, das in Abhängigkeit vom Kugelzapfentyp oder von der benötigten Kugelzapfentemperatur innerhalb einer nach dem Verfahren betriebenen Vorrichtung entschieden wird, ob zusätzlich eine Gebläsekühlung oder eine Tauchbadkühlung erforderlich ist. Diese kann insbesondere von einer Steuerung automatisch vorgesehen werden.
Aufgrund einer speziellen Ausbildung des Kugelgelenkes kann es erforderlich sein, dass das Gelenkgehäuse vor der Montage mit dem Kugelzapfen berührungslos, insbesondere durch Induktion oder Infrarotstrahlung, oder alternativ in einem Ofen erwärmt wird. In dieser Ausführungsform wird das Gelenkgehäuse allein oder aber zusätzlich zur Erwärmung des Kugelzapfens ebenfalls erwärmt. Dies kann zum Beispiel bei kleinen Kugeldurchmessern erforderlich sein, wenn die Kugel beziehungsweise Kugeloberfläche keine für den Tempervorgang erforderliche Wärmespeicherung aufweist. Die Entspannung des Lagerschalenmaterials wird somit im Zusammenspiel mit der in dem Gehäuse gespeicherten Wärmeenergie gewährleistet.
Gemäß einer weiteren Alternative wird das Kugelgelenk nach Schließen des Gehäuses einer zusätzlichen Erwärmung zugeführt. Je nach Ausführung des Kugelgelenkes kann es trotz vorheriger Erwärmung des Kugelzapfens und den durch diese Erwärmung einsetzenden Tempervorgang notwendig sein, dass das Kugelgelenk nach dem Schließen des Gehäuses, also vor der Endmontage (Dichtungsbalgmontage, etc.) einer weiteren, insbesondere berührungslosen, Erwärmung zugeführt wird.
Das Schließen des Gehäuses kann grundsätzlich kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Bei einem kraftschlüssigen Schließen des Gehäuses wird dessen Rand, der zum Kugelzapfen hin die Öffnung für den in das Kugelgelenkgehäuse eingesetzten Kugelzapfen bildet, durch einen Umformvorgang, wie zum Beispiel Verrollen oder Bördeln in Richtung Kugelzapfen umgeformt. Bei Kugelgelenken mit vor der Montage beidseitig offenem Gehäuse, z. B. bei Kugelhülsengelenken, kann kugelseitig ein Verschlussring oder ein Deckel in das Gehäuse eingesetzt werden, dessen Rand anschließend verrollt wird.
Alternativ können beim stoffschlüssigen Schließen zum Beispiel mittels Verschlussring oder Deckel diese nach dem Einsetzen in das Gehäuse miteinander verschweißt werden.
Es wird auf die Kugel gegenüber dem Gehäuse eine definierte Kraft ausgeübt, die nach dem Schließvorgang innerhalb des Gehäuses bestehen bleibt. Zusätzlich zu der Presskraft beim formschlüssigen Schließen kann, wie zuvor bereits erwähnt, eine Montagekraft auf den Kugelzapfen ausgeübt werden, wobei Kugel und Lagerschale gegenüber dem Gehäuse mit einer zusätzlichen Kraft beaufschlagt werden, die auch nach dem Schließvorgang innerhalb des Gehäuses besteht. Die Montagekraft kann beim stoffschlüssigen Schließen auf den Verschlussring oder den Deckel aufgebracht werden. Hierdurch lässt sich die Gelenkcharakteristik, insbesondere das Losbrechmoment des Kugelgelenkes einstellen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenkes nach den zuvor beschriebenen Verfahrensmerkmalen. Die Vorrichtung besteht aus einer Vormontageeinheit, die eine Halterung zur Aufnahme des Kugelzapfens sowie einen Temperatursensor zum Erfassen der Kugelzapfentemperatur vor und/oder nach dessen Erwärmung aufweist. Des Weiteren sind Mittel zum Montieren der Lagerschale auf der Kugel oder in dem Gehäuse und Montieren der Kugel des Kugelzapfens in das Gehäuse sowie zum Schließen des Gehäuses vorgesehen. Des Weiteren ist der Vorrichtung eine Endmontageeinheit zugeordnet, die Mittel zum Zuführen von Schmierstoff sowie Montieren von Dichtungsbalg und gegebenenfalls Sicherungselementen aufweist.
Erfindungsgemäß ist in der Vormontageeinheit eine Energiequelle zur berührungslosen Erwärmung des Kugelzapfens und/oder des Gehäuses vorgesehen. Damit kann bereits während der Vormontage Wärmeenergie in den Kugelzapfen und/oder das Gehäuse eingebracht werden, die nach der Vormontage unmittelbar für den zur Entspannung des Lagerschalenmaterials erforderliche Tempervorgang benötigt wird. Eine hinsichtlich Zeit und Kosten aufwändige Erwärmung außerhalb der Montagelinie entfällt im Einklang mit dem zuvor beschriebenen Verfahren.
Die Vorrichtung zeichnet sich in Analogie zu dem oben beschriebenen Verfahren des Weiteren dadurch aus, dass zwischen der Vormontageeinheit und der Montageeinheit eine Kühlstrecke angeordnet ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist lediglich die Vor- und die Endmontage des Kugelgelenkes möglich. Dort ist der Temperprozess dem Montageprozess als separater Prozess nachgeschaltet, was mit zusätzlichem zeitlichen und höherem Personalaufwand und vor allem höheren Kosten in Form eines Temperofens sowie der Zwischenlagerung der Kugelgelenke vor dem Einbringen in den Ofen zu verzeichnen ist.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Herstellung des Kugelgelenkes mit einer variablen Kühlstrecke ausgebildet. Die Kühlstrecke kann derart variabel sein, dass sie in Ihrer Länge veränderlich ist, oder aber, dass es möglich ist, ohne Störung des Montageablaufs die Durchlaufzeit durch die Kühlstrecke variabel zu gestalten. Vorzugsweise ist die Kühlstrecke nach Art eines Transportbandes ausgestaltet, wobei die Kühlstrecke in ihrer gesamten Länge und somit größter Durchlaufzeit zum Beispiel U-förmig angeordnet sein kann. Die variable Gestaltung kann dann so aussehen, dass ein Teil der Strecke beispielsweise in Form einer Weiche umgeschaltet werden kann, so dass die Kühlstrecke nach Umschaltung insgesamt kürzer wird und somit eine verringerte Abkühlzeit für den Kugelzapfen bewirkt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist wenigstens eine Übergabeeinheit vorgesehen, die zwischen der Vormontageeinheit und der Kühlstrecke und/oder der Endmontageeinheit und der Kühlstrecke angeordnet ist.
Ein wesentlicher Nachteil der bisherigen Prozesse ist es, dass wie oben schon gesagt, zumindest zwei separate, voneinander getrennte Prozesse zu durchlaufen sind (Montageprozess und Temperprozess), die einen höheren Aufwand und höhere Kosten bedeuten. Es ist offensichtlich, dass ein zum Beispiel induktiv erwärmter Kugelzapfen bzw. ein Kugelgelenk nicht manuell (per Hand durch einen Bediener) von der Vormontageeinheit in ein Transportband eingesetzt werden kann (Verbrennungsgefahr). Da auch nach dem Abkühlen des Kugelgelenks in der Kühlstrecke, dieser noch eine erhebliche Temperatur aufweist, ist ein manuelles Umsetzen des Kugelgelenks von der Kühlstrecke in die Endmontageeinheit ebenfalls ungünstig. Die Vorrichtung weist zur Überwindung dieses Problems jeweils eine Übergabeeinheit auf, die nach der zum Beispiel induktiven Erwärmung in der Vormontageeinheit das stark erhitzte Kugelgelenk erfasst und automatisch und sicher in das Transportband einsetzt. Gleiches gilt für die Umsetzung beziehungsweise Übergabe des Kugelgelenks nach Durchlaufen der Kühlstrecke in die Endmontageeinheit.
Bevorzugt ist in der Vorrichtung eine Steuerung vorgesehen, die die Variabilität der Kühlstrecke in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Kugelzapfens und/oder der Anzahl der in der Montagelinie befindlichen Kugelgelenke steuert. Über eine automatische Erkennung der Bestückung der Transportplätze in der Kühlstrecke beziehungsweise der eingestellten Durchlauftaktzeiten innerhalb der gesamten Montagevorrichtung und/oder in Abhängigkeit von der Temperatur, erfasst durch einen berührungslosen, insbesondere auf Infrarotwärme basierenden Temperatursensor, kann die Steuerung automatisch Geschwindigkeit und Länge der Kühlstrecke auf die gegebene Bedingung einstellen. Dadurch ist jederzeit eine effiziente Auslastung der Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenkes gegeben.
Bevorzugt weist die Vorrichtung insbesondere in der Endmontageeinheit weitere Mittel zum Zuführen von Schmierstoff, zum Aufbringen einer Presskraft und/oder Montagekraft sowie zum Montieren von Dichtungsbalg und gegebenenfalls Sicherungselementen auf. Wie zuvor bereits angegeben wird eine Presskraft und/oder Montagekraft zum Einstellen der Eigenschaft des Kugelgelenkes, insbesondere des Losbrechmomentes, benötigt. Es versteht sich das abschließend eine Prüfeinheit vorgesehen ist, die nach erfolgter Endmontage Funktion und Funktionsparameter, insbesondere das Losbrechmoment, des jeweilig hergestellten Kugelgelenktyps überprüfen kann.
Für einen Einsatz eines nach dem oben beschriebenen Verfahren mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellten Kugelgelenkes zum Beispiel in einem PKW-Fahrwerk ist für das Kugelgelenk ein Korrosionsschutz vorzusehen. Ein Dichtungsbalg umgreift hierbei das gesamte Kugelgelenk vom Zapfen bis zum Gehäuse und ist gegebenenfalls durch Sicherungselemente wie zum Beispiel Spannringe an den vorgenannten Bauteilen festgelegt. In der Endmontageeinheit müssen diese Bauteile sicher montiert werden können, so dass diese von den Sicherungselementen, die auch in den Dichtungsbalg integriert sein können, in Position gehalten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben in der Zeichnung zeigen:
1 ein Kugelgelenk in Teilgeschnittener Ansicht,
2 schematisch ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
3 schematisch ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß der Erfindung,
5 eine Draufsicht auf eine Anordnung einer Montagelinie für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
1 zeigt ein Kugelgelenk 1 hergestellt nach dem Verfahren der Erfindung in teilgeschnittener Ansicht. Es ist eine Kugel 2 gezeigt, die an einem vom Zapfen 2a abgewandten Ende eines Kugelzapfens 2a angeordnet ist. Der Kugelzapfen 2a sitzt mit der Kugel 2 in einem Gehäuse 4, wobei zwischen der Kugel 2 und dem Gehäuse 4 eine Lagerschale 3 angeordnet ist. Die Lagerschale 3 und das Gehäuse 4 sind geschnitten beziehungsweise teilgeschnitten dargestellt. Das Kugelgelenk weist zu Montagezwecken eine Anordnung gemäß der 1 auf, so dass der Kugelzapfen 2a und das Gehäuse 4 eine gemeinsame Längsachse L aufweisen. In Verlängerung zur Längsachse L ist oberhalb des Kugelzapfens 2 ein Kraftpfeil F_P gezeigt, der andeuten soll, dass auf den Kugelzapfen 2a während der Montage eine Presskraft F_P auf diesen in Richtung Gehäuse 4 und die dazwischen liegende Lagerschale 3 wirkt. Das Gehäuse 4 weist einen umlaufenden Schließbereich 5 auf, der zum Schließen des Gehäuses innerhalb des Montageprozesses durch eine Montagekraft M umgeformt wurde, so dass der Kugelzapfen 2a mit der Kugel 2 in dem Gehäuse 4 schwenkbeweglich aufgenommen ist.
2 zeigt schematisch ein Fertigungsverfahren beziehungsweise eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenkes gemäß 1 nach dem Stand der Technik auf, mit einer Vormontage beziehungsweise Vormontageeinheit V einem Temperofen T einem Kühlplatz beziehungsweise Kühlstrecke K sowie einer Endmontage beziehungsweise Endmontageeinheit E.
In der Vormontageeinheit V wird der Kugelzapfen 2a mit der Lagerschale 3 bestückt und in das Gehäuse 4 eingebracht. Das Gehäuse 4 wird anschließend geschlossen. Der Prozess P₁ der Vormontage und der Prozess P₂ (Tempern und Kühlen) sind unterbrochen U₁. Dies ist schematisch durch die L-förmigen Pfeile und die quadratischen Symbole S (Speicherplatz) angedeutet, da die in der Vormontage V montierten Bauteile zunächst von einem Bediener B von der Vormontage V in den Speicherplatz S umgelagert werden müssen, um diese mit dem Speicherplatz S, einer speziell für die vormontierten Kugelgelenke vorgesehenen Transportpalette in den Temperofen einbringen zu können. Nach dem Einbringen in den Temperofen T müssen die Kugelgelenke circa 40 Minuten bei einer bestimmten Temperatur (abhängig vom zu behandelnden Kugelgelenk, vorzugsweise ca. 100°C) getempert werden. Anschließend müssen die Kugelgelenke wiederum von einem Bediener B mittels der Transportpalette aus dem Temperofen T ausgelagert werden. Dies führt zu einer weiteren Unterbrechung U₂. Vor der Endmontage in der Endmontage E ist unter Umständen noch ein Kühlen in der Kühlstrecke beziehungsweise dem Kühlplatz K erforderlich. Der Prozessschritt P₂ (Tempern und Kühlen) der Prozess der Endmontage P₃ sind somit ebenfalls unterbrochen U₂.
Die in den Temperofen T getemperten beziehungsweise wärmebehandelten Kugelgelenke 1 werden wie durch die L-förmigen Pfeile und die Quadrate S (Speicherplatz) angedeutet vor der Zuführung in den Endmontageprozess E zwischengelagert. Auch hier sind wieder Bediener B der Vorrichtung vorgesehen, die die Kugelgelenke 1 von der Transportpalette in die Endmontagevorrichtung E einsetzen bzw. umlagern müssen, damit diese endmontiert werden können. Bei der Endmontage E wird der Kugel 2 gegebenenfalls Schmierstoff zugeführt. Desweiteren wird aus Korrosionsschutzgründen ein Dichtungsbalg (nicht gezeigt) über den Kugelzapfen 2a gestülpt der einen Ends am Kugelzapfen 2a und anderen Ends am Gehäuse 4 jeweils durch Sicherungselemente (nicht gezeigt) festgelegt ist.
3 zeigt das Verfahren gemäß der Erfindung in einer Ausführungsform, die eine deutliche Vereinfachung gegenüber der in 2 dargestellten Vorrichtung beziehungsweise des dort gezeigten Verfahrens aus dem Stand der Technik verdeutlicht. Ein Bediener B bestückt eine Vormontageeinheit V in Form eines Rundtisches R mit einem Kugelzapfen 2a. Der Kugelzapfen 2a wird in eine Kupferspule geführt oder alternativ die Kupferspule über die Kugel des Kugelzapfens geführt und eine Wechselspannung angelegt, so dass die Kugel 2 erhitzt wird. Das Erhitzen erfolgt zeit- oder temperaturgesteuert und die Kugel 2 erreicht dabei eine Temperatur von circa 100°C–140°C. Anschließend wird eine gefettete Kugelschale 3 auf die Kugel 2 montiert. Unmittelbar anschließend wird das Gelenkgehäuse 4 mit den Kugelzapfen 2 und der Lagerschale 3 geführt und das Gelenk 1 geschlossen. Mit Verschließen des Gelenkes setzt umgehend der Temperprozess ein. Das Kugelgelenk 1 wird sodann von einer Übergabeeinheit Ü₁ in das Transportband der Temper- und Kühlstrecke T beziehungsweise K überführt. Der Temperprozess an sich dauert dabei etwa 2 Minuten an. In der Kühlstrecke K wird nach der Temperzeit das Kugelgelenk weiter auf Raumtemperatur heruntergekühlt.
Gemäß 3 ist eine einfache Kühlstrecke K vorgesehen, das heißt ohne aktive Kühlung wie Gebläsekühlung oder Tauchbadkühlung. Am Ende der Kühlstrecke wird das Kugelgelenk 1 von einer weiteren Übergabeeinheit Ü₂ in den Rundtisch R der Endmontageeinheit E überführt. In der Endmontageeinheit E wird auf die Kugel 2 Schmierstoff gegeben und es wird ein Dichtungsbalg auf das Kugelgelenk 1 montiert. Abschließend wird das Losbrech- beziehungsweise Betriebsmoment des Kugelgelenkes überprüft. Die Endmontage E ist damit abgeschlossen und von einem Bediener B wird das Kugelgelenk 1 aus dem Rundtisch R der Endmontageeinheit E entnommen und in einen Transportbehälter gelegt.
Mit der geschweiften Klammer P ist in 3 verdeutlicht, dass es sich bei dem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß 3 nur um einen einzigen zusammenhängenden Prozess innerhalb einer Montagelinie handelt. Es werden keine Speicherplätze S oder sonstigen Aufbewahrungsmöglichkeiten benötigt, um vorgefertigte Bauteile vor, während oder nach dem Tempern speziell zu lagern, oder gegebenenfalls auch zeitintensiv zwischenzulagern. Auch ist offensichtlich, dass eine enorme Zeitersparnis dadurch erfolgt, dass das Tempern unmittelbar nach Erwärmen des Kugelzapfens, beziehungsweise der Kugel erfolgen kann. Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. Vorrichtung gemäß 2 ist davon auszugehen, dass der Temperprozess circa insgesamt 1 Stunde Zeit benötigt, da das vormontierte Kugelgelenk mit Raumtemperatur zunächst in dem Temperofen T aufgeheizt werden muss, bis es eine durchgehende Temperatur von circa 100°C aufweist. Anschließend muss das gesamte Gelenk 1 noch auf Raumtemperatur heruntergekühlt werden, und kann dann erst der Endmontage E zugeführt werden. Es ist offensichtlich, dass ein Temperofen als auch die Speicherplätze S oder sonstigen Aufbewahrungsmöglichkeiten hohe Kosten verursachen.
4 zeigt eine schematische Übersicht der einzelnen Schritte innerhalb der Montagelinie des einzigen Prozesses P. Nach dem Erwärmen EZ der Kugel 2 des Kugelzapfens 2a erfolgt kurz darauf, z. B. nach 3 Sekunden, die Montage der Lagerschale 3 (M LS). Anschließend erfolgt die Montage des Kugelgelenkes (M KG), wobei dort der Kugelzapfen zusammen mit der Lagerschale in das Gehäuse verbracht wird. Als nächster Schritt erfolgt das Schließen des Gelenkes (S G). Unmittelbar darauffolgend beginnt das Tempern T. Direkt mit dem Tempern T verbunden bzw. unmittelbar an dieses anschließend ist das Kühlen K. Nach dem Kühlen K erfolgt die Endmontage, wobei diese die Montage des Dichtungsbalges und gegebenenfalls der den Dichtungsbalg haltenden Sicherungselemente, und gegebenenfalls und noch eine Momentenmessung (Losbrechmoment, Betriebsmoment) zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Kugelgelenkes beinhaltet.
5 zeigt eine Montagelinie mit nur einem einzigen Prozess beginnend von der Vormontage über die Kühlstrecke bis zur Endmontageeinheit E. Es ist zu erkennen, dass sowohl die Vormontageeinheit V, als auch die Endmontageeinheit E jeweils einen Rundtisch R beinhalten. Es ist eine in Teilen mäanderförmige Kühlstrecke K erkennbar, die sich zwischen der Vormontageeinheit V und der Endmontageeinheit E befindet. In der Kühlstrecke K ist eine gestrichelt dargestellte Abkürzung A dargestellt, die zeigt, dass die Kühlstrecke K variabel gestaltet ist. Ausgehend von der Übergabeeinheit Ü1 in der Nähe des Rundtisches R, der Vormontageeinheit V erfolgt der Transport der Kugelgelenke 1 in Pfeilrichtung, so dass den Kugelgelenken 1 ausreichend Zeit zum Tempern T bzw. zum Abkühlen auf Raumtemperatur verbleibt. Es ist ersichtlich, dass in dem Bereich A (Abkürzung) die Kühlstrecke K mittels einer Weiche W hinsichtlich ihrer Länge und somit auch der Durchlaufzeit verkürzt werden kann. An der Übergabeeinheit Ü₂ wird der Kugelzapfen an den Rundtisch R der Endmontageeinheit E übergeben. Vormontage und die Endmontage können alternativ auch in einer Einheit, z. B. ein Rundtisch integrierte sein. Die Kühlstrecke kann so ausgebildet sein, dass diese die Kugelgelenke zur Kühlung zunächst von dem einzigen Rundtisch wegführt und nach einer Umlenkung am der Kühlstrecke wieder auf den Rundtisch zuführt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine andere oder eine bestimmte Reihenfolge der genannten Schritte zu wählen.
Bezugszeichenliste

1: Kugelgelenk
2: Kugel
2a: Kugelzapfen
3: Lagerschale
4: Gehäuse
5: Schließbereich
A: Abkürzung
B: Bediener
E: Endmontage(-einheit)
K: Kühlen, Kühlstrecke, Kühlplatz
L: Längsachse
P: Prozess, einfach
P₁: erster Prozess
P₂: zweiter Prozess
P₃: dritter Prozess
S: Speicherplatz
T: Temperofen
EZ: Erwärmen Kugelzapfen
M LS: Montage Lagerschale
M KG: Montage Kugelzapfen mit Gehäuse
SG: Schließen Gehäuse
MB: Montage Dichtungsbalg
MS: Montage Sicherungselemente
V: Vormontage(-einheit)
U_1,2: Unterbrechung
Ü_1,2: Übergabeeinheit

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks (1), wobei das Kugelgelenk (1) wenigstens einen Kugelzapfen (2a) und ein Gehäuse (4), zur gleitbeweglichen Aufnahme des Kugelzapfens (2a) aufweist, wobei zwischen Kugelzapfen (2a) und Gehäuse (4) eine Lagerschale (3) angeordnet ist, mit den folgenden durch die innerhalb einer Montagelinie unmittelbar erfolgenden Schritte: – Erwärmen des Kugelzapfens (2a) – Vormontage des Kugelgelenks (1) mit Lagerschale (3), Kugelzapfen (2a) und Gehäuse (4) – Schließen des Gehäuses (4) – Tempern des Kugelgelenks (1) – Endmontage des Kugelgelenks (1)
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Kugelzapfens (2a) berührungslos durch Induktion oder Infrarotstrahlung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen leistungsgesteuert oder zeitgesteuert und/oder durch einen berührungslosen Temperatursensor gesteuert erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abkühlen des Kugelgelenks (1), insbesondere nach dem Tempern und/oder innerhalb einer variablen Kühlstrecke (K), erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen innerhalb der Kühlstrecke (K) durch eine zusätzliche Abkühlvorrichtung bewirkt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer und/oder Art des Abkühlens in Abhängigkeit der beim Erwärmen erreichten Kugelzapfentemperatur eingestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) vor der Montage berührungslos durch Induktion oder Infrarotstrahlung, oder in einem Ofen erwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelgelenk (1) nach Schließen des Gehäuses (4) einer zusätzlichen Erwärmung zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Erwärmung berührungslos und/oder durch Bewegung des Gehäuses (4) gegenüber dem Kugelzapfen (2a) bewirkt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Vormontageeinheit (V), aufweisend – eine Halterung zur Aufnahme des Kugelzapfens (2a), – einen Temperatursensor zum Erfassen der Kugelzapfentemperatur vor und/oder während und/oder nach dessen Erwärmung, – Mittel zum Montieren der Lagerschale (3) auf der Kugel (2) des Kugelzapfens (2a) oder in dem Gehäuse (4), zum Montieren des Kugelzapfens (2a) in dem Gehäuse (4) sowie zum Schließen des Gehäuses (4), mit einer Endmontageeinheit (E), aufweisend – Mittel zum Zuführen von Schmierstoff sowie zum Montieren von Dichtungsbalg und Sicherungselementen dadurch gekennzeichnet, dass in der Vormontageeinheit eine Energiequelle zur berührungslosen Erwärmung des Kugelzapfens (2a) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vormontageeinheit (V) und der Endmontageeinheit (E) eine Kühlstrecke (K) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke (K) variabel ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Übergabeeinheit (Ü_1,2) vorgesehen ist, die zwischen der Vormontageeinheit (V) und der Kühlstrecke (K) und/oder der Endmontageeinheit (E) und der Kühlstrecke (K) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Kugelgelenks nach einem der Ansprüche von 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, die die Variabilität der Kühlstrecke (K) in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Kugelzapfens (2a) und/oder der Anzahl der in der Montagelinie befindlichen Kugelzapfen (2a) steuert.
Kugelgelenk, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 9 in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche von 10 bis 14.