DE102018217676A1

DE102018217676A1 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE102018217676A1
Application number: DE102018217676.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Colton; Alexandre Mondelin; Arnaud Turmeau
Original assignee: SKF Aerospace France SAS; SKF AB
Current assignee: SKF Aerospace France SAS; SKF AB
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2019-04-25
Also published as: FR3072741A1; GB201816958D0; FR3072741B1; GB2568818B; GB2568818A

Abstract

Kugelgelenk (10) mit einer inneren Kugelschale (20) und einer äußeren Kugelschale (30) mit Längsachse (A1), Breite (L) und aus keramischem Material, wobei die innere Kugelschale (20) eine kegelstumpfförmige sphärische Außenfläche (21) aufweist, die äußere Kugelschale (30) eine konkave Innenfläche (32) aufweist, die der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) gegenüberliegt, und eine Außenfläche (31) und zwei Seitenwandungen (33) aufweist, die die innere (32) und äußere (31) Fläche verbinden, wobei die äußere Kugelschale (30) auch symmetrisch hinsichtlich einer Mittelebene (P) ist, die senkrecht ist zu der Längsachse (A1). Zumindest wenn das Kugelgelenk nicht einer Last ausgesetzt ist, gibt es einen Freiraum zwischen der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) und der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30), um so einen radialen Abstand (Y) zwischen einem Punkt der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) und der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) zu definieren, wobei der radiale Abstand (Y) in eine Richtung senkrecht zu der Längsachse (A1) der äußeren Kugelschale (30) gemessen ist.
Für irgendeinen Punkt der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) sind der axiale Abstand (X) und der radiale Abstand (Y) durch die folgende Gleichung verbunden:

Y = - K \times In [1 - {(2 X / L)}^{2}],

wobei K eine vorgegebene Konstante ist und wobei der axiale Abstand (X) von der Mittelebene der äußeren Kugelschale und in eine Richtung parallel zu der Achse der äußeren Kugelschale gemessen ist.

Description

TECHNISCHES UMFELD DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere ein Radialkugelgelenk.
STAND DER TECHNIK
Üblicherweise ist ein Kugelgelenk aus einer äußeren Kugelschale und einer inneren Kugelschale zusammengesetzt, wobei die zwei Kugelschalen fähig sind, sich gegeneinander zu verdrehen, und diese Kugelschalen sind aus einem Metallmaterial hergestellt. Das Kugelgelenk ist in einem Gehäuse eingebaut und wird von einer Achse getragen.
Die FR 2074033 A5 offenbart die Herstellung eines derartigen Kugelgelenks mit Drehflächen der inneren und äußeren Kugelschalen, die derart angeordnet sind, dass sie einen freien Raum zwischen sich lassen.
Darüber hinaus ist, um das Gewicht der Kugelschalen zu reduzieren, bekannt, ein keramisches Material zu verwenden, um zumindest eine der Kugelschalen auszubilden. Dies ist beispielsweise der Fall in der JP H04-305411 .
Derartige Keramikmaterialien sind jedoch fragil und weniger empfänglich für elastische und plastische Deformationen als Metallmaterialien.
Deshalb sind Verbesserungen möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgelenk bereitzustellen mit einer inneren Kugelschale und einer äußeren Kugelschale aus einem keramischen Material mit einer speziellen Breite L und mit einer Längsachse. Die innere Kugelschale weist eine kegelstumpfförmige sphärische Außenfläche mit Radius R auf, und die äußere Kugelschale weist eine konkave Innenfläche auf, die der Außenfläche der inneren Kugelschale gegenüberliegt. Die äußere Kugelschale weist auch eine Außenfläche und zwei Seitenwandungen auf, die die innere und äußere Fläche miteinander verbinden. Die äußere Kugelschale ist symmetrisch hinsichtlich einer Mittelebene, die senkrecht ist zu deren Längsachse.
Gemäß der Erfindung gibt es, wenn das Kugelgelenk keiner Last ausgesetzt ist, einen Freiraum zwischen der äußeren Fläche der inneren Kugelschale und der Innenfläche der äußeren Kugelschale, um so einen radialen Abstand zwischen einem Punkt der Innenfläche der äußeren Kugelschale und der Außenfläche der inneren Kugelschale zu definieren, wobei der radiale Abstand in eine Richtung senkrecht zu der Längsachse der äußeren Kugelschale gemessen wird.
Weiterhin immer noch gemäß der Erfindung sind für jeden Punkt der Innenfläche der äußeren Kugelschale, dessen axialer Abstand und dessen radialer Abstand durch die folgende Gleichung verbunden: $Y = - K \times In [1 - {(2 X / L)}^{2}],$
wobei K eine vorgegebene Konstante ist, und wobei der axiale Abstand von der Mittelebene der äußeren Kugelschale und in Richtung parallel zu der Achse der äußeren Kugelschale gemessen ist.
Dank der Erfindung wird die Lastaufnahmefähigkeit des Kugelgelenks vergrößert, verglichen mit einem Kugelgelenk, bei dem die Innenfläche der äußeren Kugelschale strikt sphärisch ist und zu der Form der sphärischen Außenfläche der inneren Kugelschale passt.
Darüber hinaus ist, dank der Erfindung, im Fall, dass das Kugelgelenk stark belastet wird, oder in dem Fall einer signifikanten Verbiegung der Achse, an der das Kugelgelenk befestigt werden soll, und/oder des Gehäuses, in dem das Kugelgelenk befestigt werden soll, das Phänomen der Kantenbelastungskonzentration in den Endabschnitten der Innenfläche der äußeren Kugelschale vermieden. Dies macht es möglich, eine Beschädigung der äußeren Kugelschale, die aus einem keramischen Material hergestellt ist, zu verhindern.
Gemäß anderen Aspekten der Erfindung, die vorteilhaft aber nicht zwingend sind, kann ein derartiges Kugelgelenk ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:

- Der radiale Abstand Y eines Punktes der Innenflächen der äußeren Kugelschale vergrößert sich kontinuierlich von der Mittelebene weg;
- Das Kugelgelenk weist auch ein selbstschmierendes Gewebe auf, das zwischen der Innenfläche der äußeren Kugelschale und der Außenfläche der inneren Kugelschale angeordnet ist;
- Das selbstschmierende Gewebe ist an der Innenfläche der äußeren Kugelschale befestigt durch eine Klebeverbindung oder Polymerisation oder über Spritzguss;
- Die innere Kugelschale ist aus einem keramischen Material hergestellt.

Figurenliste
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Hilfe der angehängten Zeichnungen erklärt, ohne dass der Gegenstand der Erfindung in irgendeiner Weise eingeschränkt ist. In den angehängten Zeichnungen:

1 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kugelgelenks gemäß der Erfindung;
2 ist eine Ansicht im Längsschnitt des Kugelgelenks aus 1 entlang der Achse A1 der inneren Kugelschale in Verwendung;
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Kugelgelenks aus 1 und 2;
4 ist eine detaillierte Ansicht der Geometrie der inneren und äußeren Kugelschale des Kugelgelenks aus den 1 bis 3;
5 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kugelgelenks gemäß der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In der vorliegenden Anwendung werden die Begriffe „innen“ und „außen“ assoziiert mit Elementen in radialer Richtung. Beispielsweise bedeutet eine Innenfläche eine radiale Innenfläche.
Die 1 bis 4 illustrieren ein Kugelgelenk 10 mit einer inneren Kugelschale 20 mit Längsachse A1 und einer äußeren Kugelschale 30.
Die äußere Kugelschale 30 mit Längsachse A1 hat eine zylindrische Außenfläche 31 und eine konkave Innenfläche 32, die mit der Außenfläche 31 durch zwei Seitenwandungen 33 verbunden ist. Die äußere Kugelschale 30 ist einstückig. In Verwendung ist die äußere Kugelschale 30 an ihrer Außenfläche 31 an dem zylindrischen Innenumfang eines Gehäuses 50 angeordnet.
Die äußere Kugelschale 30 ist einstückig und hat eine Breite L, die entlang der Längsachse A1 gemessen wird.
Die äußere Kugelschale 30 ist aus einem keramischen Material hergestellt, beispielsweise Siliziumnitrit. Die äußere Kugelschale 30 wird vorteilhafterweise durch einen Prozess des Sinterns von keramischem Pulver hergestellt, was es möglich macht, die Menge des verwendeten keramischen Materials zu minimieren.
Die innere Kugelschale 20 ist einstückig und hat eine kegelstumpfförmige sphärische Außenfläche 21 mit Radius R. Die innere Kugelschale 20 hat auch eine Innenfläche 22, die mit der Außenfläche 21 durch zwei Seitenwandungen 23 verbunden ist. In Gebrauch ist die innere Kugelschale 20 mit ihrer Innenfläche 22 an einem zylindrischen äußeren Umfang einer Achse 60 angeordnet.
Die innere Kugelschale 20 hat eine Breite, die gemessen entlang ihrer Längsachse A1, größer ist als die Breite L der äußeren Kugelschale 30. Dies macht es möglich, die gesamte konkave Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 zu verwenden, wenn sich die innere Kugelschale 20 hinsichtlich der äußeren Kugelschale 30 verdreht.
Die innere Kugelschale 20 ist aus einem Material hergestellt, das in Abhängigkeit der Erfordernisse der Anwendung gewählt wird. Dieses Material kann Metall, beispielsweise Stahl, Bronze, eine Titaniumverbindung, oder eine Nickelverbindung sein. Wenn es die Absicht ist, das Gewicht des Kugelgelenks weiter zu reduzieren, ist die innere Kugelschale 20 für ihren Teil auch aus einem keramischen Material, beispielsweise ebenfalls Siliziumnitrid, hergestellt.
Die äußere Kugelschale 30 ist symmetrisch hinsichtlich ihrer Längsachse A1. Die äußere Kugelschale 30 ist ähnlich symmetrisch hinsichtlich einer Mittelebene P, die senkrecht ist zu der Achse A1.
Die Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 ist konkav und gegenüberliegend der Außenfläche 21 der inneren Kugelschale 20 angeordnet.
Zumindest wenn das Kugelgelenk nicht irgendeiner Last ausgesetzt ist, gibt es einen Freiraum zwischen der Außenfläche 21 der inneren Kugelschale 20 und der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30.
Wenn das Kugelgelenk hochbelastet ist, verbiegt sich die Achse 60 und die innere Kugelschale 20 deformiert sich, sodass sich der freie Raum zwischen der inneren und äußeren Kugelschale reduziert, und kann sich teilweise bis zu null reduzieren.
Der radiale Abstand zwischen der Außenfläche 22 der inneren Kugelschale 20 und der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 ist definiert durch Y. Der radiale Abstand Y wird in Richtung senkrecht zu der Achse A1 der äußeren Kugelschale 20 gemessen.
Der radiale Abstand Y vergrößert sich kontinuierlich von der Mittelebene P weg, mit anderen Worten, wenn er sich den Seitenflächen 33 der äußeren Kugelschale 30 nähert.
Der radiale Abstand Y kann somit definiert werden als der radiale Abstand zwischen einem Punkt der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 und der Außenfläche 21 der inneren Kugelschale 20.
Der axiale Abstand eines Punkts, der an der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 angeordnet ist, gemessen von der Mittelebene P der äußeren Kugelschale 30 und in Richtung parallel zu der Längsachse A1 der äußeren Kugelschale 30, ist definiert durch X.
Vorzugsweise sind für jeden Punkt der Innenflächen 32 der äußeren Kugelschale 30 der axiale Abstand X und der radiale Abstand Y durch die folgende Gleichung verbunden: $Y = - K \times In [1 - {(2 X / L)}^{2}],$
wobei K eine vorgegebene Konstante ist.
Die Konstante K ist eine Zahl, die direkt die Beabstandung zwischen der Achse 60 und der inneren Kugelschale 20 ausdrückt. Darüber hinaus ist die Konstante K mit der Verbiegung der Achse unter Last verbunden, sodass, je größer die Verbiegung der Achse 60 ist, desto höher der Wert von K gewählt werden muss, um sicherzustellen, dass die größtmögliche gleichmäßige Verteilung der Kontaktdrücke an der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 möglich ist.
Darüber hinaus, je höher der Wert von R ist, desto größer muss auch der Wert von K sein.
Ähnlich, je mehr sich die Breite L der äußeren Kugelschale 30 der Breite der inneren Kugelschale 20 nähert, desto niedriger muss der Wert von K sein.
Der Wert der Konstante K wird gewählt als zwischen 0,5 und 0,001 liegend.
Beispielsweise wurde festgelegt, dass, für ein Kugelgelenk 10, bei dem die innere Kugelschale 20 eine Breite von 30 mm und einen Bohrungsdurchmesser im mittleren Teil 24 von 20 mm hat, und bei dem die Breite L der äußeren Kugelschale 30 20 mm ist, der Wert K = 0,01 völlig ausreichend ist, und es möglich macht, die physische Integrität des Kugelgelenks sicherzustellen, das einer Radiallast ausgesetzt ist, deren Amplitude in derselben Größenordnung ist, wie der Wert der dynamischen Basisbelastung (Katalogwert) des Kugelgelenks.
Darüber hinaus wird der Maximalwert von Y erreicht, wenn X = L/2 ist, das heißt für jeden Punkt, der an der Verbindung zwischen der Innenfläche 32 und jeder der zwei Seitenflächen 23 angeordnet ist. Der radiale Abstand Y ist größer als der Radius R um einen Wert zwischen 10 µm und 1 mm.
Dank der Erfindung ist die Lastaufnahmekapazität des Kugelgelenks vergrößert, verglichen mit einem Kugelgelenk, in dem die Innenfläche der äußeren Kugelschale rein sphärisch ist.
Ebenfalls dank der Erfindung wird für den Fall, dass das Kugelgelenk stark belastet wird, oder für den Fall, dass die Achse und/oder das Gehäuse verbogen wird, das Phänomen der Kantenbelastungskonzentration an der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 vermieden. Dies macht es möglich, einen teilweise oder einen kompletten Bruch der äußeren Kugelschale 30, der aus keramischem Material hergestellt ist, zu vermeiden.
5 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Elemente, die mit denen in dem ersten Ausführungsbeispiel in 1 bis 4 identisch sind, die gleichen Bezugszeichen tragen. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1 darin, dass ein selbstschmierendes Gewebe 40 zwischen der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 und der Außenfläche 21 der inneren Kugelschale 20 angeordnet ist. Ein derartiges selbstschmierendes Gewebe ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der EP-A-2955400 bekannt.
Das selbstschmierende Gewebe 40 ist ringförmig und weist eine Außenfläche 41 in Kontakt mit der gesamten Innenfläche 22 der inneren Kugelschale 20 auf.
Das selbstschmierende Gewebe 40 weist auch eine Innenfläche 42 auf, die dazu ausgebildet ist, in Gebrauch in Kontakt mit allen oder einem Teil der kegelförmigen sphärischen Außenfläche 21 der inneren Kugelschale 20 zu sein.
Das selbstschmierende Gewebe 40 macht es möglich, ein effektives Verdrehen der inneren Kugelschales 20 hinsichtlich der äußeren Kugelschale 30 sicherzustellen, wobei die Reibkräfte minimiert werden.
Vorzugsweise ist das selbstschmierende Gewebe an der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 beispielsweise durch Klebeverbindung oder Polymerisation oder über Spritzguss befestigt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung (nicht dargestellt) ist die innere Kugelschale 20 aus zwei Elementen zusammengesetzt, wie aus dem Stand der Technik, beispielsweise der FR-A-2770597 , bekannt ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung (nicht dargestellt), ist die innere Kugelschale 20 aus drei Elementen zusammengesetzt, wie aus dem Stand der Technik, beispielsweise der EP-A-2963304 , bekannt ist.
Darüber hinaus können die technischen Eigenschaften der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit anderen, vollständig oder teilweise, kombiniert werden. Somit kann das Kugelgelenk an spezifische Anforderungen der Anwendung, in der es verwendet werden soll, angepasst werden.
Bezugszeichenliste

A1: Achse
L: Breite
P: Mittelebene
R: Radius
Y: Radialabstand
X: Axialabstand
K: vorgegebene Konstante
10: Kugelgelenk
20: innere Kugelschale
21: Außenfläche
22: Innenfläche
23: Seitenwandung
30: äußere Kugelschale
31: Außenfläche
32: Innenfläche
33: Seitenwandung
40: selbstschmierendes Gewebe
41: Außenfläche
42: Innenfläche
50: Gehäuse
60: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2074033 A5 [0003]
JP H04305411 [0004]
EP 2955400 A [0039]
FR 2770597 A [0044]
EP 2963304 A [0045]

Claims

Kugelgelenk (10) mit einer inneren Kugelschale (20) und einer äußeren Kugelschale (30) mit Längsachse (A1), Breite (L), wobei die innere Kugelschale (20) eine kegelstumpfförmige sphärische Außenfläche (21) aufweist, die äußere Kugelschale (30) eine konkave Innenfläche (32) aufweist, die der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) gegenüberliegt, und eine Außenfläche (31) und zwei Seitenwandungen (33) aufweist, die die innere (32) und äußere (31) Fläche verbinden, wobei die äußere Kugelschale (30) auch symmetrisch hinsichtlich einer Mittelebene (P) ist, die senkrecht ist zu der Längsachse (A1), wobei es, zumindest wenn das Kugelgelenk nicht einer Last ausgesetzt ist, einen Freiraum zwischen der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) und der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) gibt, um so einen radialen Abstand (Y) zwischen einem Punkt der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) und der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) zu definieren, wobei der radiale Abstand (Y) in eine Richtung senkrecht zu der Längsachse (A1) der äußeren Kugelschale (30) gemessen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kugelschale (30) aus einem keramischen Material hergestellt ist, und darin, dass für irgendeinen Punkt der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) dessen axiale Abstand (X) und dessen radialer Abstand (Y) durch die folgende Gleichung verbunden sind: $Y = - K \times In [1 - {(2 X / L)}^{2}],$
wobei K eine vorgegebene Konstante ist und wobei der axiale Abstand (X) von der Mittelebene (P) der äußeren Kugelschale (30) und in eine Richtung parallel zu der Achse (A1) der äußeren Kugelschale (30) gemessen ist.
Kugelgelenk (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand (Y) von einem Punkt der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschales (30) sich kontinuierlich weg von der Mittelebene (P) der äußeren Kugelschales (30) vergrößert.
Kugelgelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es auch ein selbstschmierendes Gewebe (40) aufweist, das zwischen der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) und der Außenfläche (21) der inneren Kugelschale (20) angeordnet ist.
Kugelgelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstschmierende Gewebe (40) an der Innenfläche (32) der äußeren Kugelschale (30) durch eine Klebeverbindung oder Polymerisation oder über Spritzguss befestigt ist.
Kugelgelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kugelschale (20) aus einem keramischen Material hergestellt ist.