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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Kugelpfanne für ein Kugelgelenk und ein mit einer derartigen Kugelpfanne versehenes Kugelgelenk.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gelenkverbindungen zwischen zwei Körpern, die um drei Achsen relativ zueinander rotatorisch bewegbar sein sollen, werden durch Kugelgelenke gebildet. In der technischen Praxisanwendung werden Kugelgelenke beispielsweise in Stativköpfen von Foto- und Kamerastativen eingesetzt. Auch im Automobilbau finden Kugelgelenke Verwendung, um beispielsweise die Lenkung mit einem am Fahrzeugchassis bewegbar aufgehängten Rad zu koppeln. Derartige Kugelgelenke sind beispielsweise an beiden Enden einer Koppelstange vorgesehen, die das Lenkgetriebe mit dem vertikal federnd bewegbar am Fahrzeugchassis aufgehängten lenkbaren Rad zur Übertragung von Lenkbewegungen verbindet.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Kugelgelenk umfasst im Wesentlichen einen Gelenkpfannenkörper und einen Gelenkkopfkörper. Der Gelenkpfannenkörper weist einen Befestigungsteil, mit dem der Gelenkpfannenkörper an einem der beiden relativ zueinander zu lagernden Körper anbringbar ist, und einen Kugelpfannenteil auf, der zur Aufnahme eines Kugelkopfes des Gelenkkopfkörpers ausgebildet ist. Der Kugelkopf ist dabei im Kugelpfannenteil gegen Heraustreten gesichert, so dass zwischen dem Gelenkpfannenkörper und dem Gelenkkopfkörper rotatorische, aber keine translatorischen Relativbewegungen ermöglicht sind. Auch der Gelenkkopfkörper ist mit einem Befestigungsabschnitt versehen, mit dem der Gelenkkopfkörper an dem anderen der beiden relativ zueinander zu lagernden Körper anbringbar ist. Um diese Gelenkverbindung zwischen den beiden Körpern auftrennen zu können, beispielsweise im Fall einer Reparatur, ist der jeweilige Befestigungsabschnitt mit dem ihm zugeordneten Körper der beiden relativ zueinander zu lagernden Körper lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, verbunden. Derartige Schraubverbindungen erhöhen jedoch den Fertigungsaufwand.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kugelpfanne für ein Kugelgelenk und ein mit einer derartigen Kugelpfanne versehenes Kugelgelenk anzugeben, die eine kostengünstigere Fertigung ermöglichen, ohne dabei die Reparaturfähigkeit einzuschränken.
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Der auf die Kugelpfanne gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine Kugelpfanne für ein Kugelgelenk ist ausgebildet in einem Gelenkpfannenkörper, der einen Befestigungsteil und einen Kugelpfannenteil aufweist, wobei der Kugelpfannenteil zur Ausbildung der Kugelpfanne eine Bohrung aufweist, die einen inneren Grundabschnitt mit einer sphärischen Innenwandung aufweist und die mit einer Umfangsnut versehen ist, wobei die Umfangsnut eine erste, dem Grundabschnitt zugewandte Radialwandung und eine zweite, vom Grundabschnitt abgewandte Radialwandung aufweist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass sich die zweite, vom Grundabschnitt abgewandte Radialwandung zumindest abschnittsweise schräg zur Bohrungsachse erstreckt.
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VORTEILE
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Die zumindest abschnittsweise schräge Ausgestaltung der zweiten Radialwandung ermöglicht es, einen den Kugelkopf in der Kugelpfanne haltenden Sicherungsring bei Überschreiten eines Lösekraft-Schwellenwertes aus der Umfangsnut herauszudrücken und dadurch das Kugelgelenk zwischen dem Gelenkpfannenkörper und dem Gelenkkopfkörper zerstörungsfrei aufzutrennen und so zu demontieren. Der Neigungswinkel der zweiten Radialwandung bestimmt dabei die Größe des Lösekraft-Schwellenwertes.
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Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Kugelpfanne sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.
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Von Vorteil ist es, wenn sich ein schräg verlaufender Abschnitt der zweiten Radialwandung ringförmig über den gesamten Umfang erstreckt und sich in Radialrichtung über einen Teil der Radialerstreckung oder über die gesamte Radialerstreckung der zweiten Radialwandung erstreckt.
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Vorzugsweise weist dabei die zweite Radialwandung in ihrem radial inneren Bereich einen Sperrabschnitt auf, der sich in einer rechtwinklig zur Bohrungsachse verlaufenden Ebene erstreckt. Dieser Sperrabschnitt verhindert ein unbeabsichtigtes Heraustreten des Sicherungsrings aus der Umfangsnut.
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Vorzugsweise bildet der schräg verlaufende Abschnitt der zweiten, vom Grundabschnitt abgewandten Radialwandung der Umfangsnut einen ringförmigen Abschnitt eines gedachten Kegelmantels, dessen Kegelspitze auf der Bohrungsachse auf der vom Grundabschnitt abgewandten Seite liegt.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Spitzenwinkel des gedachten Kegelmantels zwischen 50 ° und 90 °, vorzugsweise 70 °, beträgt. Das bedeutet, dass die zweite Radialwandung der Umfangsnut um 25 ° bis 45 °, vorzugsweise um 35°, zur Bohrungsachse geneigt ist. Ein Winkel in diesem Bereich hat sich als ausreichend erwiesen, um in einem vorgegebenen Betriebszustand den Kugelkopf in der Kugelpfanne mittels des Sicherungsrings zu halten und den Sicherungsring dennoch unter Aufbringung einer im normalen Betrieb nicht auftretenden erhöhten Kraft zum Nutgrund der Umfangsnut hin verschieben und dabei aufweiten zu können.
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Der auf das Kugelgelenk gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Dieses Kugelgelenk, das versehen ist mit einer erfindungsgemäßen Kugelpfanne und einem Gelenkkopf, der einen Befestigungskörper und einen Gelenkkopfkörper umfasst, welcher einen Kugelkopfabschnitt mit einer sphärischen Außenwandung aufweist, deren Radius an den Radius der sphärischen Innenwandung der Kugelpfanne angepasst ist, wobei der Kugelkopfabschnitt in die Bohrung des Kugelpfannenteils eingesetzt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sicherungsring axial verlagerbar in die Umfangsnut eingesetzt ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 ein teilweise aufgeschnittenes Kugelgelenk mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kugelpfanne;
- 2 eine vergrößerte Darstellung der Kugelpfanne aus 1 in einer Schnittdarstellung
- 3 eine Ansicht gemäß 2 mit einer vergrößerten Darstellung des Sicherungsrings in dessen Blockadestellung und
- 4 eine Ansicht gemäß 3 mit dem Sicherungsring in dessen Freigabestellung.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt ein Kugelgelenk mit einem Gelenkpfannenkörper 1 und einem Gelenkkopfkörper 2. Der Gelenkpfannenkörper 1 weist einen Befestigungsteil 10 und einen Kugelpfannenteil 12 auf, die in einem gemeinsamen Gelenkpfannengehäuse 11 ausgebildet sind. Der Befestigungsteil 10 ist mit einer Gewindebohrung 14 versehen, mittels der der Gelenkpfannenkörper 1 beispielsweise an einer Koppelstange 13 befestigbar ist.
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Der Kugelpfannenteil 12 weist ebenfalls eine Bohrung 16 mit einer Bohrungsachse 17 auf, die im gezeigten Beispiel mit der Bohrungsachse 15 der Gewindebohrung 14 koaxial ist, die aber auch in einem Winkel zur Bohrungsachse 15 der Gewindebohrung 14 stehen kann.
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Die Bohrung 16 im Kugelpfannenteil 12 ist im gezeigten Beispiel als Sackbohrung ausgeführt und bildet eine Kugelpfanne K des Kugelgelenks.
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In die Bohrung 16 ist ein Gelenkkopf G eingesetzt, der Teil des Gelenkkopfkörpers 2 ist. Der Gelenkkopfkörper 2 weist einen Befestigungsteil 20 und einen Gelenkkopfteil 22 auf, der - bis auf die Anbindung des Befestigungsteils 20 - von einem Kugelkopfabschnitt 24 gebildet ist. Dieser Kugelkopfabschnitt 24 weist eine sphärische Außenwandung 23 mit einem Krümmungsradius r auf.
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Festgehalten wird der Gelenkkopfteil 22 des Gelenkkopfkörpers 2 in der Bohrung 16 des Gelenkpfannenkörpers 1 mittels eines Sicherungsrings 3, der in eine in Verbindung mit 2 im Detail beschriebene Umfangsnut 18 der Bohrung 16 eingesetzt ist. Der Sicherungsring ist dazu als geschlitzter Federring ausgebildet, der eine Normalstellung einnimmt, in der die zwei einander gegenüberstehenden Umfangsenden des geschlitzten Sicherungsrings 3 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und so einen Schlitz ausbilden. Der federnde Sicherungsring 3 ist aus dieser Normalstellung radial komprimierbar, bis die einander gegenüberstehenden freien Umfangsenden miteinander in Berührung geraten. In dieser komprimierten Stellung kann der Sicherungsring 3 aufgrund seines geringeren Umfangs in die Bohrung 16 eingeführt werden, um sich dann im Bereich der Umfangsnut 18 wieder zu entspannen und seine Normalposition mit größerem Durchmesser einzunehmen.
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In 2 ist der Kugelpfannenteil 12 des Gelenkpfannenkörpers 1 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Bohrung 16 im Kugelpfannenteil 12 bildet eine Öffnung 160 in der Oberfläche des Gelenkpfannengehäuses 11 aus. Von dieser Öffnung 160 ausgehend verjüngt sich die Bohrung 16 in einem ersten, konisch verlaufenden Bohrungsabschnitt 161. An den ersten, konischen Bohrungsabschnitt 161 schließt sich ein zweiter, zylindrischer Bohrungsabschnitt 162 an. Weiter im Inneren des Kugelpfannenteils 12 ist ein dritter, zylindrischer Bohrungsabschnitt 163 vorgesehen, dessen Bohrungsdurchmesser d dem Bohrungsdurchmesser d des zweiten Bohrungsabschnitts 162 entspricht. Zwischen dem zweiten Bohrungsabschnitt 162 und dem dritten Bohrungsabschnitt 163 ist die Umfangsnut 18 ausgebildet, die weiter unten im Detail beschrieben wird. An den dritten Bohrungsabschnitt 163 schließt sich auf der von der Umfangsnut 18 in Axialrichtung abgewandten Seite ein innerer Grundabschnitt 164 der Bohrung 16 an, der eine sphärische Innenwandung 165 aufweist. Im Bereich der Bohrungsachse 17 ist eine fertigungsbedingte Bohrlochspitze 166 ausgebildet, die beispielsweise als Schmiermitteltasche dienen kann. Der Krümmungsradius R der sphärischen Innenwandung 165 ist geringfügig größer als der Krümmungsradius r des Kugelkopfabschnitts 24. Die Differenz zwischen dem Radius R und dem Radius r ist lediglich so gering, dass eine Relativbewegung des Gelenkkopfs G in der Kugelpfanne K möglich ist. Sollte diese Relativbewegung lediglich bei hohem Kraftaufwand möglich sein, so können die Radien r und R auch im Wesentlichen gleich sein.
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Nachstehend wird die Ausgestaltung der Umfangsnut 18 erläutert. An ihrer zum Grundabschnitt 164 weisenden Seite weist die Umfangsnut 18 eine erste Radialwandung 181 auf, die sich vom dritten Bohrungsabschnitt 163 in einer rechtwinklig auf der Bohrungsachse 17 stehenden Radialebene bis zum Nutgrund 180 der Umfangsnut 18 mit dem Durchmesser D erstreckt und die eine innere Ringschulter 182 in der Bohrung 16 ausbildet. Auf der von der inneren Ringschulter 182 abgewandten Seite geht der Nutgrund 180 in eine schräg verlaufende Umfangsfläche 183 über, die einen ringförmigen Abschnitt eines gedachten Kegelmantels M bildet, dessen Kegelspitze S auf der Bohrungsachse 17 der Bohrung 16 außerhalb der Bohrung auf der vom Grundabschnitt 164 der Bohrung 16 abgewandten Seite liegt. Diese geometrische Kontur bedingt, dass sich der Nutgrund 180 über die schräg verlaufende Umfangsfläche 183 zum zweiten Bohrungsabschnitt 162 hin verengt, also im Radius kleiner wird. An dem von der inneren Radialschulter 182 abgewandten Ende der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183 ist zwischen dem dortigen Rand der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 162 eine äußere Ringschulter 184 von einer äußeren, sich radial und im rechten Winkel zur Bohrungsachse 17 erstreckenden äußeren Wandung 185 der Umfangsnut 18 gebildet. Die radiale Erstreckung dieser einen Sperrabschnitt für den Sicherungsring 3 bildenden äußeren Ringschulter 184 ist geringer als die radiale Erstreckung der inneren Ringschulter 182. Der Sicherungsring 3 weist eine Dicke b auf, die der Hälfte der Differenz zwischen dem Außendurchmesser D1 und dem Innendurchmesser di des Sicherungsrings entspricht. Die Dicke b des Sicherungsrings 3 ist gleich der Tiefe T der Umfangsnut 18, also der Hälfte der Differenz zwischen dem Nutgrunddurchmesser D und dem Bohrungsdurchmesser d, oder kleiner als die Tiefe T der Umfangsnut 18.
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Diese Form der Umfangsnut 18 gestattet es, dass der in 1 und 3 dargestellte geschlitzte Sicherungsring 3 in Folge einer auf den Kugelkopfabschnitt 24 des Gelenkkopfkörpers 2 wirkenden Zugkraft Z, die bestrebt ist, den Kugelkopfabschnitt 24 aus der Bohrung 16 herauszuziehen, und die einen vorgegebenen Kraft-Schwellenwert überschreitet, durch axiale Verlagerung aus seiner Anlage an der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183, wie in 1 und 3 gezeigt, zum Nutgrund 180 wandert. Der geschlitzte Sicherungsring 3 weitet sich dabei auf, so dass sein Innendurchmesser d1' (4) in diesem Zustand gleich dem Außendurchmesser, also dem doppelten Radius r, des Kugelkopfabschnitts 24 oder größer als dieser ist.
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Der Spitzenwinkel des gedachten Kegelmantels M beträgt im gezeigten Beispiel ca. 70°, so dass der entsprechende Neigungswinkel der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183 ca. 35° zur Bohrungsachse 17 beträgt.
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Wenn die Zugkraft Z auf den Kugelkopfabschnitt 24 aufgebracht wird, übt dieser auf den Sicherungsring 3 eine Kraft F aus, die den Sicherungsring gegen die schräg verlaufende Umfangsfläche 183 drückt. Diese Kraft F teilt sich auf in einen orthogonal auf die Umfangsfläche 183 wirkenden Stützkraftanteil F1 und einen entlang der Umfangsfläche 183 in Richtung auf den Nutgrund hin gerichteten Axialkraftanteil F2. Ist dieser Axialkraftanteil F2 größer als die zwischen der Oberfläche des Sicherungsrings 3 und der Oberfläche der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183 wirkende Reibungskraft FR, dann wandert der Sicherungsring (in 3 nach links) zum Nutgrund 180 hin. Dabei weitet sich der Sicherungsring 3 aufgrund seiner Eigenspannung und/oder aufgrund der auf ihn von der Zugkraft Z ausgeübten resultierenden Kraft auf und der Kugelkopfabschnitt 24 kann durch den Sicherungsring 3 hindurch aus der Bohrung 16 austreten, wie in 4 zu sehen ist. Auf diese Weise wird ein Lösen der Verbindung zwischen dem Gelenkpfannenkörper 1 und dem Gelenkkopfkörper 2 durch Herausziehen des Gelenkkopfteils 22 aus der Bohrung 16 des Kugelpfannenteils 12 ermöglicht.
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Der Kraft-Schwellenwert lässt sich durch die Größe des Spitzenwinkels α des gedachten Kegelmantels M vorgeben. Wird der Spitzenwinkel α kleiner, also die Neigung der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183 zur Bohrungsachse 17 flacher, so wird der in Richtung auf den Nutgrund 180 hin gerichtete Axialkraftanteil F2 geringer und der Kraft-Schwellenwert steigt an. Wird die Neigung der schräg verlaufenden Umfangsfläche 183 zur Bohrungsachse 17 hingegen steiler, also der Spitzenwinkel α größer, so wird der in Richtung auf den Nutgrund 180 hin gerichtete Axialkraftanteil F2 größer und der Kraft-Schwellenwert nimmt ab.
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Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gelenkpfannenkörper
- 2
- Gelenkkopfkörper
- 3
- Sicherungsring
- 10
- Befestigungsteil
- 11
- Gelenkpfannengehäuse
- 12
- Kugelpfannenteil
- 13
- Koppelstange
- 14
- Gewindebohrung
- 15
- Bohrungsachse
- 16
- Bohrung
- 17
- Bohrungsachse
- 18
- Umfangsnut
- 20
- Befestigungsteil
- 22
- Gelenkkopfteil
- 23
- sphärische Außenwandung
- 24
- Kugelkopfabschnitt
- 160
- Öffnung
- 161
- konischer Bohrungsabschnitt
- 162
- zylindrischer Bohrungsabschnitt
- 163
- dritter Bohrungsabschnitt
- 164
- innerer Grundabschnitt
- 165
- sphärische Innenwandung
- 180
- Nutgrund
- 181
- erste Radialwandung
- 182
- innere Ringschulter
- 183
- Umfangsfläche
- 184
- äußere Ringschulter
- 185
- äußere Wandung
- G
- Gelenkkopf
- K
- Kugelpfanne
- M
- Kegelmantel
- r
- Krümmungsradius
- R
- Krümmungsradius
- S
- Kegelspitze
