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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement, insbesondere eine Spurstange oder Pendelstütze für ein Kraftfahrzeug, mit einem rohrförmigen Grundkörper und einem topfförmigen Aufnahmebereich für die Aufnahme eines kugelförmigen Gelenkkopfes. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Verbindungselementes.
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Eine derartige Pendelstütze ist aus
DE 102 31 014 B4 bekannt. Die Pendelstütze ist aus einem Halbzeug mit rundem Querschnitt gebildet. Das eine Ende des Halbzeuges ist zu einem Flachprofil ausgebildet. Das Flachprofil ist zu einer Pfanne zur Aufnahme eines weiteren Gelenkabschnittes mit einem kugelförmigen Gelenkkopf geformt.
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Aus
DE 10 2011 000 933 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gelenkverbindung bekannt, wobei ein rohrförmiges Profil an einem Ende zu einem Flachprofil verformt wird. Die beiden Lagen des Flachprofils werden durchstoßen und zu einer Aufnahme für eine Gelenkkugel aufgeweitet.
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Aus
US 3 861 812 B sind eine Pendelstütze und ein Herstellungsverfahren bekannt, bei der in eine Aussparung der Pendelstütze eine Aufnahme aus Plastikspritzguss für eine Gelenkkugel eingesetzt wird.
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Generell soll ein Verbindungselement zum gelenkigen Verbinden zweier Bauteile so gestaltet sein, dass das Verbindungselement möglichst stabil und vielseitig einsetzbar ist und in wenigen Arbeitsschritten hergestellt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verbindungselement bereitzustellen, das einfach herstellbar, robust und vielseitig einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der topfförmige Aufnahmebereich einen kugelsegmentförmigen Innenraum zur Aufnahme eines Gelenkkopfes aufweist, wobei die Höhe des Kugelsegments größer als der Radius des aufzunehmenden Gelenkkopfes ist.
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Somit bildet ein Bereich eines für die Herstellung des Verbindungselements verwendeten rohrförmigen Halbzeuges einen Aufnahmebereich für einen kugelförmigen Gelenkkopf. Der Gelenkkopf gehört dabei zu einem nachfolgenden Gelenkabschnitt. Der nachfolgende Gelenkabschnitt ist das Gegenstück zu dem Verbindungselement. Der Aufnahmebereich des Verbindungselementes ist topfförmig ausgebildet. Dabei ist der Aufnahmebereich aus einem Stück geformt und bildet im Inneren einen kugelsegmentförmigen Innenraum, der zur Aufnahme des Gelenkkopfes des zu verbindenden, nachfolgenden Gelenkabschnittes dient. Das durch den Innenraum gebildete Kugelsegment ist so ausgebildet, dass seine Höhe größer ist als der Radius des aufzunehmenden Gelenkkopfes. Der Radius des Kugelsegmentes ist im Wesentlichen gleich dem Radius des Gelenkkopfes. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass – bezogen auf die Kugelfläche des Gelenkkopfes – mehr als dessen Hälfte in dem Aufnahmebereich des Verbindungselementes aufgenommen ist. Der Gelenkkopf ist dadurch gegen Herausrutschen gesichert.
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Das Verbindungselement und der nachfolgende Gelenkabschnitt bilden gemeinsam eine Pendelstütze. Die Pendelstütze kann unter anderem als Spurstange für Kraftfahrzeuge verwendet werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind der Grundkörper und der Aufnahmebereich einstückig ausgebildet. Er kann durch Umformen gebildet sein und eine entsprechend hohe Festigkeit aufweisen. Damit eignet sich das Verbindungselement auch für die stabile Aufnahme von relativ großen Gelenkköpfen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der topfförmige Aufnahmebereich gegenüber dem Grundkörper abgewinkelt. Es können verschiedene, quasi beliebige Winkel zwischen dem Grundkörper des Verbindungselementes und dem die Gelenkkugel aufweisenden Gegenstück realisiert werden. Somit eignet sich das Verbindungselement für die Anpassung an unterschiedliche Einbausituationen und Platzverhältnisse.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der topfförmige Aufnahmebereich zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung mit dem Gelenkkopf ausgebildet. Auf diese Weise ist eine sichere und spielfreie Verbindung mit dem Gelenkkopf herstellbar, ohne dass hierfür zusätzliche Bauteile (z.B. Kunststoffhalterungen oder -fassungen) benötigt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Innenraum des Aufnahmebereichs mit einem kugelsegmentförmigen Einsatz oder einer Beschichtung versehen. Der Einsatz oder die Beschichtung kann aus Kunststoff oder einem gegenüber dem für das Werkstück verwendeten Metall weicheren Metall sein. Durch den Einsatz oder die Beschichtung kann die Reibung zwischen dem Verbindungselement und dem nachfolgenden Gelenkabschnitt im Innenraum vermindert werden. Weiterhin wird ein präziseres Einpassen der Gelenkkugel ermöglicht. Bei Bedarf kann der Innenraum durch Austausch des Einsatzes oder Neubeschichtung erneuert werden. Zu diesem Zweck kann der Einsatz herausnehmbar ausgestaltet sein. Die Lebensdauer der Verbindung kann somit erhöht werden.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren geschaffen zur Herstellung eines Verbindungselementes, insbesondere einer Pendelstütze für ein Kraftfahrzeug, das Verfahren umfassend: Verformen eines Endabschnittes eines rohrförmigen Halbzeuges zu einem topfförmigen Aufnahmebereich für einen kugelförmigen Gelenkkopf, wobei der topfförmige Aufnahmebereich einen kugelsegmentförmigen Innenraum zur Aufnahme des Gelenkkopfes aufweist, und die Höhe des Kugelsegments größer als der Radius des aufzunehmenden Gelenkkopfes ist.
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Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass alle Arbeitsschritte vom Halbzeug bis zum Fertigprodukt durch Umformen ausgeführt werden können. Es sind in der einfachsten Ausführungsform des Verbindungselementes keinerlei Bearbeitungen am Werkstück erforderlich, wie zum Beispiel Sägen, Fräsen etc. Das Verbindungselement besteht aus nur einem Werkstück und behält während des gesamten Herstellungsprozesses seine Festigkeitswerte. Bei Einsatz entsprechender Fertigungsmethoden wie zum Beispiel Gesenkschmieden, Warmschmieden oder Tiefziehen lässt sich zudem der Fertigungsaufwand durch Zusammenfassen von mehreren Verfahrensschritten in einem Arbeitsgang minimieren.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist das rohrförmige Halbzeug aus Metall. Das Verformen erfolgt durch Warmschmieden. Durch den Einsatz von Metall als Werkstoff können entsprechende Festigkeitswerte erreicht werden. Das Halbzeug kann aber auch aus anderen Werkstoffen wie z.B. Hartplastik gebildet sein. Warmschmieden hat den Vorteil, dass gute Festigkeitswerte erreicht werden können. Zudem ist der Materialverlust beim Warmschmieden gering.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verformen das Abwinkeln des Aufnahmebereichs gegenüber dem rohrförmigen Halbzeug. Das Abwinkeln hat den Vorteil, dass der topfförmige Aufnahmebereich so ausgebildet werden kann, wie es die technische Anwendung des Verbindungselementes erfordert. Es sind Winkel zwischen 0° und bis +/–90° oder mehr in Bezug auf die Längsachse des Halbzeuges möglich.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verformen das Einpassen des Gelenkkopfes in den kugelsegmentförmigen Innenraum des Aufnahmebereichs. In der einfachsten Ausgestaltungsform wird der Gelenkkopf ohne zusätzliches Verbindungsteil direkt in den Innenbereich eingepasst. Der Innendurchmesser des Kreissegmentes entspricht dabei im Wesentlichen dem Außendurchmesser der einzupassenden Gelenkkugel, so dass die Gelenkkugel formschlüssig in den Innenraum eingepasst wird. Das Einpassen kann mit dem Verformen in einem Arbeitsschritt kombiniert werden.
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Insbesondere umfasst das Einpassen das Umschließen des Gelenkkopfes um mehr als 180 Grad. Beim Einpassen wird der Gelenkkopf zunächst in den Innenraum des Aufnahmebereichs eingeschoben. Da die Höhe des Innenraums größer als der Radius des Gelenkkopfes ist, wird mehr als die Hälfte der Kugel des Gelenkkopfes von dem Innenraum umschlossen. Dieses Umschließen kann durch Schmieden erfolgen. Auf diese Weise kann eine stabile Verbindung einfach hergestellt werden.
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Nachstehend ist anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein rohrförmiges Halbzeug für die Herstellung eines Verbindungselementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
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2 das Halbzeug nach Herstellung eines zu einem Flachprofil verformten Bereiches;
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3 das Halbzeug nach Herstellung eines topfförmigen Aufnahmebereiches;
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4 eine Schnittdarstellung eines Verbindungselementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
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5 einen Aufnahmebereich für einen Gelenkkopf eines Verbindungselementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
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6 eine Schnittdarstellung eines Verbindungselementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mit einer in den Aufnahmebereich eingepassten Gelenkkugel;
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7 eine Schnittdarstellung eines Verbindungselementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in einer beispielhaften Anwendung; und
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8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Halbzeug 1 mit einem Innendurchmesser 2 und einem Außendurchmesser 3. Das Halbzeug 1 bildet einen Grundkörper 4 für die Herstellung eines Verbindungselementes 5.
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Die 2 zeigt das Halbzeug 1 nach einem ersten Bearbeitungsschritt. In einem Bereich 6 ist das Halbzeug zu einem Flachprofil verformt. Der Bereich 6 unterteilt das Halbzeug 1 in den Grundkörper 4 und einen topfförmigen Aufnahmebereich 7. Der Aufnahmebereich 7 erhält seine Topfform durch entsprechendes Verformen des Halbzeuges 1, beispielsweise durch Warmschmieden.
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Die 3 zeigt das Halbzeug 1 nach einem zweiten Bearbeitungsschritt. Nach diesem Bearbeitungsschritt ist der topfförmige Aufnahmebereich 7 im Bereich des Flachprofils 6 gegenüber dem Grundkörper 4 um 90 Grad abgewinkelt.
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Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung des topfförmigen Aufnahmebereichs 7. Innerhalb des Aufnahmebereichs 7 ist ein Innenraum 8 ausgebildet. Der Innenraum 8 ist kugelsegmentförmig ausgebildet. Der Innenraum 8 enthält in dieser Ausgestaltung einen ebenfalls kugelsegmentförmigen Einsatz 9. Der Einsatz 9 ist dazu vorgesehen, eine formschlüssige Verbindung mit einer Gelenkkugel 10 eines nachfolgenden Gelenkabschnittes 11 herzustellen und die Reibung zu minimieren.
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Der Innenraum 8 ist so dimensioniert, dass das Kugelsegment mit dem Einsatz 9 eine Höhe aufweist, die im Wesentlichen dem Radius der einzupassenden Gelenkkugel 10 entspricht. Das Abmaß des topfförmigen Aufnahmebereiches 7 und damit die Höhe des Innenraumes 8 wird im Herstellungsverfahren durch die Positionierung des Flachprofilbereiches 6 in Bezug auf das Ende des Halbzeuges 1 festgelegt.
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Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung des Innenraumes 8 des topfförmigen Aufnahmebereiches 7 zum Einpassen der Gelenkkugel 10 des nachfolgenden Gelenkabschnittes 11. Der Innenraum 8 ist durch den Einsatz 9 ausgekleidet, welcher eine kugelsegmentförmige Innenseite 9a hat. Die Innenseite 9a des Einsatzes 9 umschließt die (hier nicht dargestellte) Gelenkkugel 10 um mehr als 180 Grad.
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Der Einsatz 9 wird durch ein Ringelement 12 fixiert. Das Ringelement 12 ist in dieser Ausführungsform in Hinterschneidungen 13 des Aufnahmebereichs 7 abgestützt und gegen Herausrutschen gesichert. Das Ringelement 12 sichert so den gesamten nachfolgenden Gelenkabschnitt 11 gegen Herausrutschen.
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In der illustrierten Ausführungsform sind die Hinterschneidungen 13 durch Einschlagen des Randes des Aufnahmebereichs 7 gebildet. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform können die Hinterschneidungen 13 durch eingefräste Nuten oder Ähnliches gebildet sein.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung des Aufnahmebereiches 7 mit der in den Innenraum 8 eingepassten Gelenkkugel 10 des nachfolgenden Gelenkabschnittes 11.
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Der Innenraum 8 ist durch einen kugelsegmentförmigen Einsatz 9 ausgekleidet. Der Einsatz 9 fluchtet mit dem Rand des Aufnahmebereiches 7. Die Gelenkkugel 10 ist in den Einsatz 9 formschlüssig eingepasst. Dabei umgreift der Einsatz 9 mehr als die Hälfte der Gelenkkugel 10. Das somit gebildete Gelenk wird durch einen Balg 14 vor Verschmutzung geschützt.
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7 zeigt eine beispielhafte Einsatzmöglichkeit des Verbindungselements 5. Das Verbindungselement 5 kann in jedem technischen Bereich zur Übertragung von Steuer- oder Haltekräften eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Verbindungselement 5 im Kraftfahrzeugbereich als Pendelstütze oder Spurstange eingesetzt werden.
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In der dargestellten Ausgestaltung ist der Grundkörper 4 des Verbindungselementes 5 im Aufnahmebereich 7 mit einem nachfolgenden Gelenkabschnitt 11, hier ausgeführt als Pendelstütze, verbunden. Der Grundkörper 4 weist auf der der Pendelstütze abgewandten Seite an seinem Innendurchmesser 2 ein Innengewinde 15 auf. Der Grundkörper 4 ist auf dieser Seite mit einer Strebe 16 verbunden. Die Strebe 16 kann mittels eines entsprechenden Außengewindes 17 in den Grundkörper 4 eingeschraubt werden. Grundkörper 4 und Strebe 16 bilden eine kraft- und formschlüssige Verbindung zur Kraftübertragung.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbindungselementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
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Zunächst wird in einem ersten Schritt das rohrförmige Halbzeug 1 mit einem gewünschten Querschnitt (Innendurchmesser 2, Außendurchmesser 3) bereitgestellt.
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In einem zweiten Schritt wird der Bereich 6 des Halbzeuges 1 zu einem Flachprofil geformt. Die Anordnung des Bereiches 6 in Bezug auf den Grundkörper legt das Abmaß des Aufnahmebereiches 7 fest.
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Im folgenden Schritt wird der Aufnahmebereich 7 im Bereich des Flachprofils 6 gegenüber dem Grundkörper 1 abgewinkelt.
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Der folgende Schritt umfasst das Ausbilden des kugelsegmentförmigen Innenraums 8. Das Ausbilden kann dabei durch Verformen des Aufnahmebereichs 7 geschehen. Das Verformen kann durch Warmschmieden erfolgen. In diesem Schritt kann nach dem Verformen der Einsatz 9 in den Innenraum 8 eingesetzt werden.
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Im nächsten Schritt wird die Gelenkkugel 10 des nachfolgenden Gelenkabschnittes 11 in den Aufnahmebereich 7 eingepasst. Der Rand des Aufnahmebereichs 7 wird dann so verformt, dass dieser die Gelenkkugel 10 um mehr als die Hälfte, d.h. um mehr als 180 Grad umschließt und die Gelenkkugel 10 in dem Innenraum 8 des Aufnahmebereichs 7 fixiert. Auch dieses Verformen erfolgt vorzugsweise durch Warmschmieden.
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Die in 8 dargestellten Arbeitsschritte lassen sich zu einem Arbeitsgang zusammenfassen. Dies ist beispielsweise in einem Herstellungsprozess mittels Warmschmieden, ausgeführt als Gesenkschmieden möglich. Das Zusammenfassen erfolgt durch den Einsatz eines entsprechend ausgebildeten Schmiedegesenks und einer entsprechenden Gesenkform.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeug
- 2
- Innendurchmesser des Halbzeuges
- 3
- Außendurchmesser des Halbzeuges
- 4
- Grundkörper
- 5
- Verbindungselement
- 6
- Flachprofil/Bereich des Flachprofils
- 7
- topfförmiger Aufnahmebereich
- 8
- Innenraum
- 9
- Einsatz
- 9a
- Innenseite des Einsatzes
- 10
- Gelenkkopf
- 11
- nachfolgender Gelenkabschnitt
- 12
- Ringelement
- 13
- Hinterschneidungen
- 14
- Balg
- 15
- Innengewinde
- 16
- Strebe
- 17
- Außengewinde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10231014 B4 [0002]
- DE 102011000933 B4 [0003]
- US 3861812 B [0004]
