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Die Erfindung betrifft einen Kugelbolzen für ein Kugelgelenk, ein Kugelgelenk mit einem solchen Kugelbolzen und ein Längenverstellelement mit einem solchen Kugelgelenk.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 195 09 920 A1 ist ein Kugelgelenk bekannt, welches einen Kugelbolzen und eine zur Aufnahme eines Kugelkopfs des Kugelbolzens eingerichtete Kugelpfanne aufweist. Solche Kugelgelenke werden typischerweise zur Anbindung von Längenverstellelementen wie beispielsweise Hydraulikzylindern, Pneumatikzylindern oder Gasfedern, an andere Bauteile genutzt. Die Kugelgelenke dienen dabei insbesondere der Bereitstellung einer dreidimensionalen Kinematik. Problematisch ist, dass zwischen dem Kugelkopf und der Kugelpfanne Toleranzen auftreten, sodass Spiel zwischen den Bauteilen besteht. Dies führt bei dynamischer Belastung des Kugelgelenks zu deutlichen Klappergeräuschen, mithin insbesondere einem schlechten NVH-Verhalten (Noise Vibration Harshness). Zur Sicherung des Kugelkopfs in der Kugelpfanne ist im Fall der
DE 195 09 920 A1 ein Sicherungselement in Form eines Federstabs vorgesehen. Aus der DIN 71805 sind auch Kugelpfannen mit einem Sprengring zur Sicherung eines Kugelkopfs bekannt. Weiterhin ist es möglich, einen zusätzlichen Sicherungsring nach der Montage der Kugelpfanne auf dem Kugelbolzen an der Kugelpfanne anzubringen. Nachteilig hierbei ist, dass der Sicherungsring zusätzlich durch verhältnismäßig kleine Bohrungen in der Kugelpfanne geschoben werden muss, was wertvolle Montagezeit kostet. Zudem kann die Montage des Sicherungsrings erst in einem Endmontageschritt erfolgen. Ähnliches gilt auch für den aus der
DE 195 09 920 A1 bekannten Federstab. Weiterhin können die bekannten Sicherungselemente letztlich das Problem bei dynamischer Belastung auftretender Klappergeräusche nicht beheben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelbolzen, ein Kugelgelenk und ein Längenverstellelement zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Kugelbolzen für ein Kugelgelenk geschaffen wird, der einen Kugelkopf aufweist. Dabei zeichnet sich der Kugelbolzen dadurch aus, dass der Kugelkopf eine Ringnut aufweist, in der ein elastisches Ringelement angeordnet ist. Das elastische Ringelement kann leicht bereits in einem Vormontageschritt auf oder in die Ringnut gesteckt werden. Durch seine Elastizität ermöglicht es eine effektive Reduzierung oder sogar Vermeidung von Klappergeräuschen bei dynamischer Belastung eines Kugelgelenks, welches den Kugelbolzen aufweist.
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Der Kugelkopf ist vorzugsweise an einem zapfenförmigen Bolzenabschnitt des Kugelbolzens angeordnet. Es ist möglich, dass der zapfenförmige Bolzenabschnitt seinerseits mit einem Befestigungselement des Kugelbolzens zur Befestigung an einem den Kugelbolzen aufweisenden Bauteil angeordnet ist. Der zapfenförmige Bolzenabschnitt weist eine Längserstreckung auf, welche eine Längsachse des Kugelbolzens definiert. Die an dem Kugelkopf vorgesehene Ringnut erstreckt sich bevorzugt in Umfangsrichtung, wobei die Umfangsrichtung die – gedachte und verlängerte – Längsachse des zapfenförmigen Bolzenabschnitts umgreift. Mithin läuft die Ringnut vorzugsweise in Umfangsrichtung um die Längsachse um.
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Das Ringelement ist vorzugsweise in radialer Richtung gesehen elastisch. Dabei steht eine radiale Richtung hier senkrecht auf der Längsachse. Wird der Kugelkopf in eine Kugelpfanne eingesteckt oder mit der Kugelpfanne verbunden, kann das Ringelement in radialer Richtung nachgeben und so insbesondere eine Klemmwirkung zwischen dem Kugelkopf und der Kugelpfanne erzeugen. Dadurch werden Klappergeräusche effizient vermindert, vorzugsweise verhindert.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Außendurchmesser des Ringelements in unbelastetem Zustand – also ohne elastische Verformung des elastischen Ringelements – größer ist als ein Außendurchmesser einer gedachten, über die Ringnut verlängerten einhüllenden Fläche des Kugelkopfs im Bereich der Ringnut. Es wird also gedanklich eine einhüllende Fläche gebildet, welche einerseits eine Außenfläche des Kugelkopfs beschreibt, und welche andererseits über die Ringnut hinweg verlängert ist, sodass sich eine durchgehende einhüllende Fläche ergibt, welche quasi der gedachten Außenfläche des Kugelkopfs ohne die Ringnut entspricht. Diese gedachte, einhüllende Fläche weist im Bereich der Ringnut einen Außendurchmesser auf, der mit dem Außendurchmesser des in die Ringnut eingesetzten, jedoch unbelasteten Ringelements verglichen wird. Dabei zeigt sich, dass insbesondere ein größter Außendurchmesser des Ringelements in dem unbelasteten Zustand größer ist als der Außendurchmesser der gedachten einhüllenden Fläche im Bereich der Ringnut. Hierdurch steht das Ringelement mit seinem größten Außendurchmesser über die gedachte einhüllende Fläche über und kann beim Einbringen des Kugelkopfs in eine Kugelpfanne – aufgrund der Elastizität des Ringelements – elastisch gestaucht oder komprimiert werden, wodurch das Ringelement als Federelement wirkt, Toleranzen ausgleichen kann, und Klappergeräusche bei dynamischer Belastung des Kugelgelenks verringern oder verhindern kann.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Ringelement als offener Ring, insbesondere als geschlitzter Ring, ausgebildet ist. Dabei weist das Ringelement insbesondere – in Umfangsrichtung gesehen – einen Schlitz auf. Es erhält seine elastischen Eigenschaften vorzugsweise insbesondere durch den Schlitz. Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass das Ringelement elastische Eigenschaften aufgrund seiner Form und/oder aufgrund seines Materials aufweist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Ringelement in unbelastetem Zustand eine nach außen gewölbte Außenfläche und vorzugsweise eine nach außen gewölbte Innenfläche aufweist. Auf diese Weise wird dem Ringelement durch die gewölbte Außenfläche und vorzugsweise die gewölbte Innenfläche eine Formelastizität in radialer Richtung verliehen. Besonders bevorzugt ist die Außenfläche – in radialer Richtung gesehen – konvex ausgebildet, wobei die Innenfläche – in radialer Richtung gesehen – konkav ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist das Ringelement – im Querschnitt gesehen – C-förmig ausgebildet. Wird das Ringelement mit einer radial nach innen gerichteten Kraft beaufschlagt, kann es sich insbesondere aufgrund seiner Form elastisch verformen. Dabei wird es insbesondere breiter, und eine Tiefe der konkaven Innenfläche, die bevorzugt als Rinne ausgestaltet ist, verringert sich. Dadurch wirkt das Ringelement wie ein Federelement und kann Toleranzen ausgleichen sowie Klappergeräusche bei dynamischer Belastung eines Kugelgelenks dämpfen oder verhindern.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Ringelement an einer Innenfläche eine Mehrzahl von radialen Stützvorsprüngen aufweist, wobei in unbelastetem Zustand des Ringelements ein erster Außendurchmesser des Ringelements – in Umfangsrichtung gesehen zwischen den radialen Stützvorsprüngen gemessen – größer ist als ein zweiter Außendurchmesser des Ringelements, der im Bereich von wenigstens einem radialen Stützvorsprung gemessen wird. Auch diese Ausgestaltung verleiht dem Ringelement eine Formelastizität, insbesondere weil es sich im Bereich des ersten, größeren Außendurchmessers, in dem keine radialen Stützvorsprünge angeordnet sind, elastisch radial nach innen verformen kann, wobei es in dem Bereich des zweiten, kleineren Außendurchmessers durch wenigstens einen radialen Stützvorsprung gestützt wird. Bevorzugt sind die Stützvorsprünge paarweise vorgesehen und einander diametral gegenüberliegend angeordnet. Der zweite, kleinere Außendurchmesser wird dann insbesondere bevorzugt zwischen zwei diametral gegenüberliegenden radialen Stützvorsprüngen gemessen. Besonders bevorzugt weist das Ringelement an seiner Innenfläche vier radiale Stützvorsprünge auf, die einander paarweise diametral gegenüberliegen. Der erste, größere Außendurchmesser ist dabei – in Umfangsrichtung gesehen – zwischen den Stützvorsprüngen angeordnet, wobei der zweite, kleinere Außendurchmesser als Durchmesser im Bereich von zwei diametral gegenüberliegenden Stützvorsprüngen gemessen wird. Der erste, größere Außendurchmesser ist insbesondere bevorzugt größer als ein Außendurchmesser einer gedachten, über die Ringnut verlängerten einhüllenden Fläche des Kugelkopfs im Bereich der Ringnut. Wird das Ringelement mit einer Kraft beaufschlagt, verformt es sich elastisch in dem Bereich des ersten, größeren Außendurchmessers, wo keine radialen Stützvorsprünge vorhanden sind. Dadurch kann sich der Außendurchmesser bei anliegender Kraft verringern. Das Ringelement wirkt auf diese Weise wie ein Federelement und kann Toleranzen ausgleichen sowie Klappergeräusche effizient dämpfen oder verhindern.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Ringelement Kunststoff aufweist oder aus Kunststoff besteht. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil selbst noch bestehende, geringe Distanzen zwischen dem Ringelement und der Kugelpfanne eines Kugelgelenks unschädlich in Hinblick auf Klappergeräusche sind, weil durch die Verwendung des Werkstoffs Kunststoff ein Klappergeräusch stark gedämpft oder vermieden wird. Außerdem verleiht der Werkstoff Kunststoff dem Ringelement bevorzugt elastische Eigenschaften. Zwischen dem Ringelement und der Kugelpfanne ergeben sich im Betrieb typischerweise Relativbewegungen, insbesondere Relativdrehungen. Um einem Verschleiß des Ringelements vorzubeugen, ist der Kunststoff für das Ringelement bevorzugt abriebfest ausgebildet.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Kugelgelenk geschaffen wird, welches einen Kugelbolzen und eine Kugelpfanne aufweist, wobei die Kugelpfanne eingerichtet ist zur Aufnahme eines Kugelkopfs des Kugelbolzens. Das Kugelgelenk zeichnet sich dadurch aus, dass der Kugelbolzen nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Kugelgelenk insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Kugelbolzen erläutert wurden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Kugelgelenks bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein größter Außendurchmesser des Ringelements des Kugelkopfs – in unbelastetem Zustand – größer ist als ein Innendurchmesser der Kugelpfanne. Das Ringelement wird dann beim Einführen in die Kugelpfanne mit einer Kraft beaufschlagt und elastisch verformt. Dadurch verringert sich sein Außendurchmesser, und das Ringelement wirkt wie ein Federelement und gleicht Toleranzen zwischen dem Kugelkopf und der Kugelpfanne aus. Weiterhin werden auf diese Weise Klappergeräusche effektiv gedämpft, vorzugsweise verhindert. Selbst wenn noch geringe Distanzen zwischen dem Ringelement und der Kugelpfanne vorhanden sind, wird vorzugsweise durch den Werkstoff Kunststoff für das Ringelement ein Klappergeräusch vermieden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Kugelgelenks bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Kugelpfanne ein Sicherungselement zur Sicherung des Kugelkopfs aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, den Kugelkopf in für sich genommen üblicher Weise gegen ein versehentliches Lösen von der Kugelpfanne zu sichern. Das Sicherungselement ist besonders bevorzugt als Sprengring, als Federstab oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Längenverstellelement geschaffen wird, welches ein Kugelgelenk nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Längenverstellelement insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Kugelbolzen und/oder dem Kugelgelenk erläutert wurden.
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Das Längenverstellelement ist vorzugsweise als pneumatisches, hydropneumatisches oder hydraulisches Längenverstellelement ausgebildet. Insbesondere ist es möglich, dass das Längenverstellelement als Pneumatikzylinder oder als Hydraulikzylinder ausgebildet ist. Auch ist es möglich, dass das Längenverstellelement als Gasfeder ausgebildet ist.
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Schließlich ist aber auch die Verwendung des hier vorgeschlagenen Kugelelements bei einem Dämpfer oder einem Lenker mit Kugelgelenkanbindung möglich. Entsprechend werden auch Dämpfer oder Lenker bevorzugt, welche ein solches Kugelgelenk aufweisen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kugelbolzens;
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2 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kugelgelenks mit dem Kugelbolzen gemäß 1, und
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3 eine Darstellung eines Details eines zweiten Ausführungsbeispiels des Kugelbolzens.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kugelbolzens 1, der einen Kugelkopf 3 aufweist. Der Kugelkopf 3 weist eine Ringnut 5 auf. Außerdem ist in 1 ein elastisches Ringelement 7 dargestellt, welches bestimmungsgemäß in der Ringnut 5 des Kugelkopfs 3 angeordnet ist.
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Der Kugelbolzen 1 weist einen zapfenförmigen Bolzenabschnitt 9 auf, an dem der Kugelkopf 3 angeordnet ist, wobei der zapfenförmige Bolzenabschnitt 9 eine Längsachse des Kugelbolzens 1 definiert. An seiner dem Kugelkopf 3 abgewandten Seite ist der zapfenförmige Bolzenabschnitt 9 mit einem Befestigungselement 11 verbunden, welches insbesondere zur Befestigung des Kugelbolzens 1 an einem in 1 nicht dargestellten Bauteil dient.
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Die Ringnut 5 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Längsachse des zapfenförmigen Bolzenabschnitts 9. Das elastische Ringelement 7 ist insbesondere in radialer Richtung, also senkrecht zu der Längsachse, elastisch ausgebildet.
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Dabei zeigt sich, dass das Ringelement 7 insbesondere als geschlitzter oder offener Ring ausgebildet ist, wobei es – in Umfangsrichtung gesehen – einen Schlitz 13 aufweist. Dieser verleiht dem Ringelement 7 eine bestimmte Elastizität.
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Das Ringelement 7 weist weiterhin eine in unbelastetem Zustand nach außen gewölbte und insbesondere – in radialer Richtung gesehen – konvexe Außenfläche 15 auf, wobei es zugleich eine ebenfalls radial nach außen gewölbte und insbesondere – in radialer Richtung gesehen – konkave Innenfläche 17, die hier insbesondere als Rinne ausgebildet ist, aufweist. Durch diese Ausgestaltung ist das Ringelement 7 – im Querschnitt gesehen – insbesondere C-förmig ausgebildet. Hierdurch wird dem Ringelement 7 eine bestimmte Formelastizität verliehen. Insbesondere bewirken Kräfte, mit denen das Ringelement 7 von außen beaufschlagt wird, und die radial nach innen gerichtet sind, eine elastische Verformung des Ringelements derart, dass das Ringelement – in Richtung der Längsachse gesehen – breiter und die Tiefe der Rinne der Innenfläche 17 – in radialer Richtung gesehen – geringer wird. Dadurch, und vorzugsweise durch eine Verringerung des Abstandes der Ringenden im Bereich des Schlitzes 13, wirkt der Ring wie ein Federelement und kann Toleranzen ausgleichen.
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Das Ringelement 7 ist außerdem vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet, insbesondere weist es bevorzugt Kunststoff auf oder besteht aus Kunststoff. Dabei trägt dieser Werkstoff zusätzlich dazu bei, dass das Ringelement 7 elastische Eigenschaften und insbesondere Eigenschaften aufweist, welche Klappergeräusche zumindest dämpfen, vorzugsweise deren Auftreten verhindern können.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kugelgelenks 19, welches das erste Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens 1 gemäß 1 aufweist, und außerdem eine Kugelpfanne 21, die eingerichtet ist zur Aufnahme des Kugelkopfs 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Ein größter Außendurchmesser des Ringelements 7 im Bereich der Außenfläche 15 ist – in unbelastetem Zustand – größer als ein Außendurchmesser einer gedachten, über die Ringnut 5 verlängerten, einhüllenden Fläche des Kugelkopfs 3 im Bereich der Ringnut 5. Die gedachte, einhüllende Fläche wird insbesondere gedanklich gebildet, indem eine Außenfläche 23 des Kugelkopfs 3 gedanklich über die Ringnut 5 hinweg verlängert wird, sodass quasi als einhüllende Fläche eine Geometrie des Kugelkopfs 3 entsteht, welche dieser aufweisen würde, wenn die Ringnut 5 nicht vorgesehen wäre, und die Außenfläche 23 nicht durch diese verletzt wäre.
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Der größte Außendurchmesser des Ringelements 7 bildet also im Bereich der Außenfläche 15 eine radial vorstehende Umfangslinie, die jedoch aufgrund der elastischen Eigenschaften des Ringelements 7 bei Belastung nachgeben kann.
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Bevorzugt ist der größte Außendurchmesser des Ringelements 7 größer als ein Innendurchmesser der Kugelpfanne 21, sodass das Ringelement 7 im Bereich seines größten Außendurchmessers elastisch komprimiert wird, wenn der Kugelkopf 3 in die Kugelpfanne 21 eingesetzt wird. Auf diese Weise kann das Ringelement 7 Toleranzen ausgleichen und Klappergeräusche effizient dämpfen, vorzugsweise verhindern. Zugleich trägt das Ringelement 7 dazu bei, den Kugelkopf 3 in der Kugelpfanne 21 zu halten.
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Die Kugelpfanne 21 weist vorzugsweise noch ein Sicherungselement 25 auf, welches hier als Sprengring ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Kugelpfanne 21 ein als Federstab oder in anderer geeigneter Weise ausgebildetes Sicherungselement 25 aufweist.
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Das Kugelgelenk 19 ist vorzugsweise an einem in 2 nur andeutungsweise dargestellten Längenverstellelement 27 angeordnet. Dieses ist bevorzugt als pneumatisches, hydropneumatisches oder hydraulisches Längenverstellelement, insbesondere als Hydraulikzylinder, als Pneumatikzylinder oder als Gasfeder, ausgebildet. Es ist auch möglich, dass das Kugelgelenk 19 an einem Dämpfer oder einem Lenker vorgesehen ist.
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Zwischen dem Ringelement 7 und der Kugelpfanne 21 ergeben sich im Betrieb des Kugelgelenks 19 typischerweise Relativbewegungen, insbesondere Relativdrehungen. Um einem Verschleiß des Ringelements 7 vorzubeugen, ist der Kunststoff, den das Ringelement 7 aufweist oder aus dem es besteht, bevorzugt abriebfest ausgebildet.
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3 zeigt eine Detaildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kugelbolzens 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Insbesondere ist das Ringelement 7 bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel des Kugelbolzens 1 anders ausgebildet als bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2. Allerdings ist das Ringelement 7 auch in diesem Fall als geschlitzter Ring mit dem Schlitz 13 ausgebildet. Es weist jedoch an seiner Innenfläche 17, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nicht gewölbt ausgebildet ist, eine Mehrzahl, hier genau vier, radiale Stützvorsprünge 29 auf, wobei einer der radialen Stützvorsprünge 29 hier durch den Schlitz 13 geteilt ist. Die radialen Stützvorsprünge 29 sind symmetrisch über einen Umfang der Innenfläche 17 verteilt angeordnet, insbesondere in gleichen Winkelabständen zueinander. Dabei liegen sich die Stützvorsprünge 29 paarweise diametral gegenüber. Bei dem konkret dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch die Außenfläche 15 nicht gewölbt. Gleichwohl ist es möglich, dass die Außenfläche 15 und/oder die Innenfläche 17 gewölbt, insbesondere nach außen gewölbt, ausgebildet ist/sind.
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Die radialen Stützvorsprünge 29 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie das Ringelement 7 in auf dem Kugelkopf 3 montiertem Zustand an einem Boden der Ringnut 5 abstützen.
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Das Ringelement 7 weist einen ersten Außendurchmesser D1 auf, der – in unbelastetem Zustand des Ringelements 7 – größer ist als ein zweiter Außendurchmesser D2. Dabei wird der erste Außendurchmesser D1 – in Umfangsrichtung gesehen – zwischen den radialen Stützvorsprüngen gemessen, wobei der zweite Außendurchmesser D2 im Bereich von wenigstens einem der radialen Stützvorsprünge 29, hier gerade genau im Bereich von zwei sich diametral gegenüberliegenden Stützvorsprüngen 29 gemessen wird. Insbesondere ist der erste, größere Außendurchmesser D1 größer als ein Außendurchmesser einer gedachten, über die Ringnut 5 des Kugelkopfs 3 verlängerten einhüllenden Fläche im Bereich der Ringnut 5. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste, größere Außendurchmesser D1 größer ist als ein Innendurchmesser der Kugelpfanne 21. Wird das Ringelement 7 mit einer Kraft beaufschlagt, kann es sich elastisch verformen, insbesondere weil im Bereich des ersten, größeren Außendurchmessers D1 keine Stützvorsprünge 29 vorhanden sind. Der erste Außendurchmesser D1 kann sich also bei anliegender Kraft verringern. Dadurch wirkt auch das hier dargestellte Ringelement 7 wie ein Federelement und kann Toleranzen ausgleichen sowie Klappergeräusche effizient dämpfen oder sogar verhindern.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Kugelbolzens 1, des Kugelgelenks 19 und des Längenverstellelements 27 eine effiziente Verminderung, vorzugsweise eine Verhinderung von Klappergeräuschen möglich ist.
