DE102016122244A1

DE102016122244A1 - Kugelgelenk und Verwendung eines Kugelgelenks

Info

Publication number: DE102016122244A1
Application number: DE102016122244.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Es ist ein Kugelgelenk (10), insbesondere zur Wankstabilisierung eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen mit einer Gelenkschale (12), einer über eine durch einen Öffnungsrand (22) begrenzte Aufnahmeöffnung der Gelenkschale (12) in der Gelenkschale (12) gelenkig eingesetzten Gelenkkugel (14) und einem von der Gelenkkugel (14) durch die Aufnahmeöffnung abstehenden Kugelzapfen (18), wobei die Gelenkkugel (14) und/oder der Kugelzapfen (18) eine Einschnürung (24) ausbilden und der Öffnungsrand (22) der Aufnahmeöffnung in die Einschnürung (24) eintauchbar ist. Durch den in die Einschnürung (24) eintauchbaren Öffnungsrand (22) kann im Vergleich zu einer fehlenden Einschnürung (24) eine deutlich stärke Verschwenkung des Kugelzapfens (18) erfolgen, so dass ein Kugelgelenk (10) mit einem großen realisierbaren Winkelbereich ermöglicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk sowie eine Verwendung eines Kugelgelenks, mit dessen Hilfe beispielsweise eine Fahrzeugachse eines Kraftfahrzeugs zur Wankstabilisierung gelenkig an einem Antriebsrad angebunden werden kann.
Bei einer Kurvenfahrt eines Kraftfahrzeugs kann sich das Kraftfahrzeug aufgrund der angreifenden Fliehkräfte nach außen neigen, so dass eine Drehung des Kraftfahrzeugs um seine Längsachse erfolgt („Wanken“). Auch bei einer Fahrt auf einem unebenen Untergrund kann ein Wanken auftreten. Um das Kraftfahrzeug bei einem Wanken zu stabilisieren und den Effekt des Wankens zu reduzieren, ist es wünschenswert die Fahrzeugachsen des Kraftfahrzeugs relativ zum Chassis zu verschwenken, um einen Versatz der Antriebsräder zueinander zulassen zu können. Hierzu können die Fahrzeugachsen über Kugelgelenke an dem Chassis und/oder den Antriebsrädern angelenkt sein.
Aus DE 10 2006 006 929 A1 ist ein Kugelgelenk bekannt, bei dem eine an einer Stange angebrachte hohle Gelenkkugel über ein elastomeres Material in einer Gelenkschale gelenkig gelagert ist. Die Gelenkkugel weist einen rohrförmigen Ansatz auf, über den die Stange mit der Gelenkkugel verbunden werden kann. Der rohrförmigen Ansatz geht über einen gerundeten Übergangsbereich in die äußere Kontur der Gelenkkugel über.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis über einen möglichst großen Winkelbereich Relativstellungen in einem Kugelgelenk zu ermöglichen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein Kugelgelenk mit einem großen realisierbaren Winkelbereich ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Erfindungsgemäß ist ein Kugelgelenk, insbesondere zur Wankstabilisierung eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen mit einer Gelenkschale, einer über eine durch einen Öffnungsrand begrenzte Aufnahmeöffnung der Gelenkschale in der Gelenkschale gelenkig eingesetzten Gelenkkugel und einem von der Gelenkkugel durch die Aufnahmeöffnung abstehenden Kugelzapfen, wobei die Gelenkkugel und/oder der Kugelzapfen eine Einschnürung ausbilden und der Öffnungsrand der Aufnahmeöffnung in die Einschnürung eintauchbar ist.
Der maximal mögliche Winkelbereich, um den der Kugelzapfen und insbesondere eine über den Kugelzapfen angebundene Fahrzeugachse verschenkt werden kann, ist durch ein Anschlagen des Kugelzapfens an der Gelenkschale begrenzt. Durch die Einschnürung, in welche der Öffnungsrand der Aufnahmeöffnung in der Gelenkschale eintauchen kann, kann der Kugelzapfen weiter verschwenkt werden, als dies ein dem Durchmesser des übrigen Kugelzapfens entsprechender Durchmesser an dieser Stelle erlauben würde. Die Festigkeit des Kugelgelenks wird insbesondere auf Grundlage der Festigkeitsverhältnisse im engsten durch die Einschnürung definierten Querschnitt bestimmt, auf deren Grundlage die Auslegung des Kugelgelenks erfolgt. Im Vergleich zu einem Kugelgelenk ohne Einschnürung kann die Auslegung auf Grundlage des durch die Einschnürung bestimmten Auslegungsniveaus unter Umständen aber nicht notwendigerweise zu einem etwas größer dimensionierten Gelenkkopf führen. Insbesondere bei einem als Sportwagen ausgestalteten Kraftfahrzeug ist jedoch bei einer sportlichen Fahrweise mit einem besonders starken Wanken zu rechnen, so dass zumindest aus Sicherheitsgründen und Fahrkomfortaspekten ein größerer maximaler Winkelbereich des Kugelgelenks wichtiger erscheint. Durch den in die Einschnürung eintauchbaren Öffnungsrand kann im Vergleich zu einer fehlenden Einschnürung eine deutlich stärke Verschwenkung des Kugelzapfens erfolgen, so dass ein Kugelgelenk mit einem großen realisierbaren Winkelbereich ermöglicht ist.
Insbesondere ist die Einschnürung in Umfangsrichtung des Kugelzapfens umlaufend ausgestaltet ist. Der erhöhte Winkelbereich für das Verschwenken des Kugelzapfens ist dadurch in allen Raumrichtungen möglich. Der Öffnungsrand kann dadurch in einer vertikalen Richtung bei einem Wanken des Kraftfahrzeugs und/oder in einer horizontalen Richtung bei einem Gieren des Kraftfahrzeugs in die Einschnürung eintauchen, wodurch die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs verbessert sein kann.
Vorzugsweise ist eine Mittellinie des Kugelzapfens um einen Schwenkwinkel α von 52,5° ≤ α ≤ 140,0°, insbesondere 60,0° ≤ α ≤ 120,0°, vorzugsweise 70,0° ≤ α ≤ 100,0°, weiter bevorzugt 80,0° ≤ α ≤ 90,0° und besonders bevorzugt 85,0° ≤ α ≤ 87,5° verschwenkbar. Durch den erhöhten Schwenkwinkel ergibt sich ein entsprechend erhöhter Raumwinkel, in dem der Lagerzapfen um einen entsprechend erhöhten Winkelbereich in verschiedene Raumrichtungen verschwenkt werden kann.
Besonders bevorzugt geht die Einschnürung in die Oberflächenkontur der Gelenkkugel über. Unnötige scharfkantige Einschnitte zur Ausbildung der Einschnürung sind dadurch vermieden, so dass Kerbwirkungseffekte minimiert werden können. Zudem braucht der Öffnungsrand nicht rohrförmig von der Gelenkschale abstehen, so dass eine unnötige Begrenzung des realisierbaren Winkelbereichs vermieden ist. Vorzugsweise geht die Einschnürung auf einen größeren Durchmesser des von der Gelenkkugel abstehenden Kugelzapfens gerundet über. Insbesondere sind im Wesentlichen S-förmige Übergänge zur Überbrückung der unterschiedlichen Durchmesser im Bereich der Einschnürung vorgesehen.
Insbesondere weist der Öffnungsrand eine zur Einschnürung im Wesentlichen korrespondierende Formgebung zum flächigen Anliegen des Öffnungsrands in der Einschnürung auf. Die Formgebung des Öffnungsrands kann der Formgebung der Einschnürung im Grund der Einschnürung entsprechen. Dies ermöglicht ein flächiges Anschlagen des Öffnungsrands in der Einschnürung in den Extremlagen. Ein scharfkantiges Einschneiden einer Kante des Öffnungsrands in das die Einschnürung begrenzende Material ist dadurch vermieden. Stattdessen können bei einem Anschlagen des Öffnungsrands in der Einschnürung die auftretenden Kräfte auf eine größere Fläche verteilt werden, so dass unnötige Verformungen und unnötiger Verschleiß vermieden sind.
Vorzugsweise ist die Gelenkkugel nur über ein Schmiermittel, insbesondere Schmierfett, in der Gelenkschale gleitend aufgenommen. Eine feste Koppelung der Gelenkkugel mit der Gelenkschale über ein Elastomer ist dadurch vermieden, so dass der maximale Winkelbereich zum Verschwenken der Gelenkkugel in der Gelenkschale auch nicht durch die maximal zumutbare Scherspannung des Elastomers eingeschränkt ist. Eine Gleitlagerung der Gelenkkugel in der Gelenkschale ermöglicht eine maximale Relativverdrehung, die nur durch das Anschlagen des Öffnungsrands in der Einschnürung begrenzt ist.
Besonders bevorzugt ist die Gelenkkugel, insbesondere in einem vom Gelenkzapfen weg weisenden Endbereich, hohl ausgestaltet. Durch die zumindest teilweise hohle Ausgestaltung der Gelenkkugel kann das Gewicht der Gelenkkugel und der Materialeinsatz reduziert werden. Dadurch kann bei einer auslegungsbedingten größer dimensionierten Gelenkkugel das Gewicht des Kugelgelenks gering gehalten werden. Das Kugelgelenk kann dadurch als Leichtbauteil ausgestaltet sein.
Insbesondere weist die Gelenkkugel eine einem sphärischen Teilkörper entsprechende Außenkontur auf, wobei die Außenkontur der Gelenkkugel insbesondere als eine über den Äquator hinausgehende Kugelkalotte ausgestaltet ist. Da die Gelenkkugel nur teilweise als Kugel ausgestaltet ist, kann das Gesamtgewicht des Kugelgelenks reduziert werden, so dass das Kugelgelenk als Leichtbauteil ausgestaltet sein kann. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass das Kugelgelenk im Wesentlichen nur eine ausreichende Überdeckung mit der Gelenkschale auszubilden braucht, die ausreicht, dass das Kugelgelenk auch in den Extremstellungen nicht aus der Gelenkschale herausspringen kann. Hierzu ist eine Ausformung als geeignet große Kugelkalotte bereits ausreichend.
Vorzugsweise ist mit der Gelenkschale und dem Kugelzapfen ein die Einschnürung einschließender Dichtbalg verbunden. Dadurch sind die Kontaktflächen der Gelenkkugel in der Gelenkschale vor Umwelteinflüssen geschützt. Insbesondere wird dadurch zugelassen, dass ein Schmiermittel auch die Einschnürung erreichen kann, so dass ein gedämpftes und/oder reibungsarmes Anschlagen des Öffnungsrands in der Einschnürung ermöglicht ist. Gegebenenfalls kann die Einschnürung aus der Gelenkschale ausgetretenes Schmiermittel, beispielsweise Schmierfett aufnehmen, so dass das Schmiermittel nicht an den Dichtflächen des Dichtbalgs vorbeikriechen kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines Kugelgelenks, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Wankstabilisierung einer Fahrzeugachse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Sportwagens. Durch den in die Einschnürung eintauchbaren Öffnungsrand kann im Vergleich zu einer fehlenden Einschnürung eine deutlich stärke Verschwenkung des Kugelzapfens erfolgen, so dass ein Kugelgelenk mit einem großen realisierbaren Winkelbereich ermöglicht ist. Dadurch kann das insbesondere bei einem Sportwagen auftretende starke Wanken des Kraftfahrzeugs leicht ausgeglichen werden. Insbesondere kann zumindest ein Großteil oder sogar im Wesentlichen der gesamte Kipp- und Lenkwinkelbedarf der Kinematik der Fahrzeugachse des Kraftfahrzeugs über das Kugelgelenk abgedeckt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:

1: eine schematische Schnittansicht eines Kugelgelenks.

Das in 1 dargestellte Kugelgelenk 10 weist eine Gelenkschale 12 auf, die beispielsweise auf eine als hohle Kugelkalotte ausgestaltete Gelenkkugel 14 aufgeclippst sein kann. Die Gelenkschale 12 kann in einem starren Gelenkkörper 16 aufgenommen sein, so dass sich die Gelenkschale 12 nicht von der Gelenkkugel 14 lösen kann. Von der Gelenkkugel 14 steht ein Kugelzapfen 18 ab, der beispielsweise mit einer Fahrzeugachse 20 eines Kraftfahrzeugs verbunden sein kann, um eine Wankstabilisierung des Kraftfahrzeugs zu erreichen. Der Kugelzapfen ragt über eine Aufnahmeöffnung aus der Gelenkschale 12 heraus, die durch einen Öffnungsrand 22 begrenzt ist.
Im Übergangsbereich zwischen der Gelenkkugel 14 und dem Kugelzapfen 18 ist über weiche Übergänge eine in Umfangsrichtung umlaufende Einschnürung 24 eingebracht. Der Öffnungsrand 22 der Aufnahmeöffnung in der Gelenkschale 12 kann bei einer entsprechenden Relativverschwenkung des Kugelzapfens 18 und einer entsprechenden Drehung der Gelenkkugel 14 in der Gelenkschale 12 in die Einschnürung 24 eintauchen. Da der Öffnungsrand 22 in den Extremstellungen des verschwenkten Kugelzapfens 18 nicht an dem größeren Durchmesser des Kugelzapfens 18 außerhalb der Einschnürung 24 sondern an dem Grund der Einschnürung 24 anschlägt, kann eine Mittellinie 26 des Kugelzapfens 18 um einen entsprechend größeren Schwenkwinkel α verschwenkt werden, wodurch ein stärkeres Wanken oder Gieren des Kraftfahrzeugs ausgeglichen werden kann.
Zudem kann ein Dichtbalg 28 mit dem Kugelzapfen 18 und mittelbar über den Gelenkkörper 16 mit der Gelenkschale 12 verbunden sein, der ein Austreten von in der Gelenkschale 12 vorgesehenen Schmierfett aus dem Kugelgelenk 10 verhindern kann. Der Dichtbalg 28 schließt hierbei auch die Einschnürung 24 ein, so dass der Öffnungsrand 22 in die Einschnürung 24 eintauchen kann ohne den Dichtbalg 28 dazwischen zu verquetschen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006006929 A1 [0003]

Claims

Kugelgelenk, insbesondere zur Wankstabilisierung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Gelenkschale (12), einer über eine durch einen Öffnungsrand (22) begrenzte Aufnahmeöffnung der Gelenkschale (12) in der Gelenkschale (12) gelenkig eingesetzten Gelenkkugel (14) und einem von der Gelenkkugel (14) durch die Aufnahmeöffnung abstehenden Kugelzapfen (18), wobei die Gelenkkugel (14) und/oder der Kugelzapfen (18) eine Einschnürung (24) ausbilden und der Öffnungsrand (22) der Aufnahmeöffnung in die Einschnürung (24) eintauchbar ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürung (24) in Umfangsrichtung des Kugelzapfens (18) umlaufend ausgestaltet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittellinie (26) des Kugelzapfens (18) um einen Schwenkwinkel α von 52,5° ≤ α ≤ 140,0°, insbesondere 60,0° ≤ α ≤ 120,0°, vorzugsweise 70,0° ≤ α ≤ 100,0°, weiter bevorzugt 80,0° ≤ α ≤ 90,0° und besonders bevorzugt 85,0° ≤ α ≤ 87,5° verschwenkbar ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürung (24) in die Oberflächenkontur der Gelenkkugel (14) übergeht.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsrand (22) eine zur Einschnürung (24) im Wesentlichen korrespondierende Formgebung zum flächigen Anliegen des Öffnungsrands (22) in der Einschnürung (24) aufweist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkkugel (14) nur über ein Schmiermittel, insbesondere Schmierfett, in der Gelenkschale (12) gleitend aufgenommen ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkkugel (14), insbesondere in einem vom Gelenkzapfen (18) weg weisenden Endbereich, hohl ausgestaltet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkkugel (14) eine einem sphärischen Teilkörper entsprechende Außenkontur aufweist, wobei die Außenkontur der Gelenkkugel (14) insbesondere als eine über den Äquator hinausgehende Kugelkalotte ausgestaltet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Gelenkschale (12) und dem Kugelzapfen (18) ein die Einschnürung (24) einschließender Dichtbalg (28) verbunden ist.
Verwendung eines Kugelgelenks (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Wankstabilisierung einer Fahrzeugachse (20) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Sportwagens.