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TECHNISCHES UMFELD DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere ein Radialkugelgelenk.
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STAND DER TECHNIK
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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. Ein derartiges Kugelgelenk ist aus der
US 2008/031559 A1 bekannt.
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EP-B1-1431597 offenbart, ein Lager zwischen der Bohrung der inneren Kugelschale und der Achse dazwischen anzuordnen, um insbesondere die Masse des Metallkugelgelenks zu reduzieren und dessen Schmierung zu verbessern.
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Darüber hinaus ist, ebenfalls 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 .
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Derartige Keramikmaterialien sind jedoch fragil und weniger empfänglich für elastische und plastische Deformationen als Metallmaterialien.
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Deshalb sind Verbesserungen möglich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgelenk bereitzustellen mit einer äußeren Kugelschale mit einer speziellen Breite L und einer inneren Kugelschale, die aus einem Keramikmaterial hergestellt ist und eine Längsachse hat. Die äußere Kugelschale weist eine kegelstumpfförmige sphärische Innenfläche auf, und die innere Kugelschale weist eine kegelstumpfförmige sphärische Außenfläche auf, deren Profil zu der Innenfläche der äußeren Kugelschale passt. Die innere Kugelschale weist auch eine Innenfläche und zwei Seitenwandungen auf, die deren Innen- und Außenfläche verbinden.
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Gemäß der Erfindung ist die Innenfläche der inneren Kugelschale zusammengesetzt aus einem zylindrischen Mittelabschnitt mit Radius R, der von zwei konvexen Seitenabschnitten flankiert ist. Darüber hinaus erstreckt sich jeder Seitenabschnitt von dem Mittelabschnitt in Richtung von und bis zu einer der zwei Seitenwandungen, sodass jeder Punkt der zwei Seitenabschnitte in einem radialen Abstand von der Längsachse angeordnet ist, der in eine Richtung senkrecht zu der Längsachse gemessen wird und größer ist als der Radius R.
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Immer noch gemäß der Erfindung sind für jeden Punkt der zwei Seitenflächen, dessen axialer Abstand
X und dessen radialer Abstand
Y durch die folgende Gleichung verbunden:
wobei K eine vorbestimmte Konstante ist, und wobei der axiale Abstand
X von der Verbindung des Mittelabschnitts zu den zwei Seitenabschnitten, und in eine Richtung parallel zu der Längsachse gemessen ist.
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Dank der Erfindung wird die Lastaufnahmefähigkeit des Kugelgelenks vergrößert, verglichen mit einem Kugelgelenk, bei dem die Bohrung der inneren Kugelschale strikt zylindrisch ist.
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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 inneren Fläche der inneren Kugelschale vermieden. Dies macht es möglich, eine Beschädigung der inneren Kugelschale aus einem keramischen Material zu verhindern.
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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 Punkts der Seitenflächen vergrößert sich kontinuierlich von dem Mittelabschnitt weg;
- - die Seitenflächen sind tangential mit der Mittelfläche verbunden;
- - die Seitenabschnitte haben jeweils eine Breite, die in Richtung parallel zu der Längsachse gemessen, gleich ist zu der Hälfte der Breite L der äußeren Kugelschale;
- - das Kugelgelenk weist auch eine Hülse oder ein Lager auf, das in der Bohrung der inneren Kugelschale eingebaut ist, wobei das Lager ringförmig ist und eine Außenfläche aufweist, die in Kontakt ist mit der gesamten Innenfläche der inneren Kugelschale;
- - das Lager ist aus einem Material hergestellt, das weniger starr ist als das Material der anderen Elemente, aus denen das Kugelgelenk hergestellt ist;
- - sobald das Lager in der Bohrung der inneren Kugelschale eingebaut ist, zeigt das Lager eine radiale Indifferenz mit der inneren Kugelschale;
- - die äußere Kugelschale ist aus einem keramischen Material hergestellt.
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Figurenliste
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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 detaillierte Ansicht der Geometrie der inneren Kugelschale des Kugelgelenks aus 1 und 2;
- 4 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kugelgelenks gemäß der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In der vorliegenden Anwendung werden die Begriffe „innen“ und „außen“ assoziiert mit Elementen in radialer Richtung. Beispielsweise bedeutet eine innere Fläche eine radial innere Fläche.
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Die 1 bis 3 illustrieren ein Kugelgelenk 10 mit einer inneren Kugelschale 20 mit Längsachse A1 und einer äußeren Kugelschale 30.
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Die äußere Kugelschale 30 hat eine zylindrische Außenfläche 31 und eine kegelstumpfförmige sphärische 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 der zylindrischen Innenumfangsfläche eines Gehäuses 50 angeordnet. Die äußere Kugelschale 30 hat eine Breite L.
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Die innere Kugelschale 20 mit Achse A1 ist einstückig und hat eine kegelstumpfförmige sphärische Außenfläche 21, deren Profil zu dem der Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale passt. 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 einer zylindrischen äußeren Umfangsfläche einer Achse 60 angeordnet.
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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 kegelstumpfförmige sphärische Innenfläche 32 der äußeren Kugelschale 30 zu verwenden, wenn sich die innere Kugelschale 20 hinsichtlich der äußeren Kugelschale 30 verdreht.
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Die innere Kugelschale 20 ist aus einem keramischen Material hergestellt, beispielsweise Siliziumnitrid. Die innere Kugelschale 20 ist vorteilhafterweise durch ein Verfahren erhalten des Sinterns von keramischem Pulver, was es möglich macht, die Menge des keramischen Materials, das verwendet wird, zu minimieren.
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Die äußere Kugelschale 30 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 äußere Kugelschale 30 für ihren Teil auch aus einem keramischen Material, beispielsweise ebenfalls Siliziumnitrid, hergestellt.
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Die innere Kugelschale 20 ist symmetrisch hinsichtlich ihrer Längsachse A1. Die innere Kugelschale 20 ist ähnlich symmetrisch hinsichtlich einer Mittelebene P, die senkrecht ist zu der Achse A1 der inneren Kugelschale 20.
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Die Innenfläche 22 der inneren Kugelschale 20 ist aus einem zylindrischen Mittelabschnitt 24, der von zwei Seitenabschnitten 25, 26 flankiert ist, zusammengesetzt. Jeder Seitenabschnitt 25, 26 erstreckt sich von dem Mittelabschnitt 24 in die Richtung und so weit wie eine der zwei Seitenwandungen 23 der inneren Kugelschale 20.
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Der zylindrische Mittelabschnitt 24 hat einen Radius R und ist in Kontakt mit dem zylindrischen Außenumfang der Achse 60.
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Wenn das Kugelgelenk nicht radial belastet ist oder schwach belastet ist, sind die zwei Seitenabschnitte 25, 26 für ihren Teil nicht in Kontakt mit der Achse. Die zwei Seitenabschnitte 25, 26 sind gekrümmt und konvex, um so einen freien Raum zwischen ihnen und der Achse zu lassen. Dieser freie Raum vergrößert sich in seiner Größe von dem Mittelabschnitt 24 weg.
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Wenn das Kugelgelenk hochbelastet ist, verbiegt sich die Achse 60 und die innere Kugelschale 20 deformiert sich, sodass sich der freie Raum, der zwischen den Seitenflächen 25, 26 und der Achse vorhanden ist, reduziert, und kann sich teilweise bis zu null reduzieren in Zonen, in denen er im Ruhezustand (ohne belastet zu sein) am Kleinsten war.
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Die zwei seitlichen Abschnitte 25, 26 sind identisch und symmetrisch hinsichtlich der Mittelebene P der inneren Kugelschale 20.
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Die zwei Seitenabschnitte 25, 26 sind tangential mit dem Mittelabschnitt 24 verbunden.
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Der radiale Abstand zwischen der Achse A1 und der Innenfläche 22 der inneren Kugelschale 20 ist definiert durch Y. Der radiale Abstand Y wird in Richtung senkrecht zu der Achse A1 der inneren Kugelschale 20 gemessen.
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Für jeden Punkt des Mittelabschnitts 24, der zylindrisch ist, ist deshalb der radiale Abstand Y konstant und gleich R.
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Für jeden Punkt, der an einer der Seitenflächen 25, 26 angeordnet ist, ist deshalb der radiale Abstand Y größer als R, und vergrößert sich kontinuierlich weg von dem Mittelabschnitt 24, mit anderen Worten beim sich Annähern an die Seitenflächen 23 der inneren Kugelschale 20.
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Der axiale Abstand eines Punkts, der an einer der Seitenflächen 25, 26 angeordnet ist, gemessen von der Verbindung des Mittelabstands 24 zu einem Seitenabschnitt 25, 26 und in Richtung parallel zu der Achse A1 der inneren Kugelschale 20, ist definiert durch X.
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Vorzugsweise haben die Seitenabschnitte 25, 26 jeweils eine Breite, die in Richtung parallel zu der Achse A1 gemessen gleich ist zu der Hälfte der Breite L der äußeren Kugelschale 30. Mit anderen Worten variiert X zwischen 0 und L/2.
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Vorzugsweise sind für jeden Punkt der seitlichen Flächen
25,
26 der axiale Abstand
X und der radiale Abstand
Y durch die folgende Gleichung verbunden:
wobei K eine vorgegebene Konstante ist.
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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 22 der inneren Kugelschale 20 möglich ist.
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Darüber hinaus, je höher der Wert von R ist, desto größer muss auch der Wert von K sein.
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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.
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Der Wert der Konstante K wird gewählt als zwischen 0,5 und 0,001 liegend.
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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.
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Darüber hinaus wird der Maximalwert von Y erreicht, wenn X = L/2 ist, das heißt für jeden Punkt, der an den Enden von einer der zwei Seitenabschnitten 25, 26 an der Verbindung zu der benachbarten Seitenfläche 23 angeordnet ist. Der radiale Abstand Y ist größer als der Radius R um einen Wert zwischen 10 µm und 1 mm.
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Dank der Erfindung ist die Lastaufnahmekapazität des Kugelgelenks vergrößert, verglichen mit einem Kugelgelenk, in dem die Bohrung der inneren Kugelschale rein zylindrisch ist.
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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 gebogen wird, das Phänomen der Kantenbelastungskonzentration in den Endabschnitten 25, 26 der Innenfläche 22 der inneren Kugelschale 20 vermieden. Dies macht es möglich, einen teilweise oder einen kompletten Bruch der inneren Kugelschale 20, der aus keramischem Material hergestellt ist, zu vermeiden.
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4 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Elemente, die mit denen in dem ersten Ausführungsbeispiel in 1 bis 3 identisch sind, die gleichen Bezugszeichen tragen. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausfiihrungsbeispiel aus 1 darin, dass eine Hülse oder ein Lager 40 in der Bohrung der inneren Kugelschale 20 eingebaut ist.
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Das Lager 40 ist ringförmig und weist eine Außenfläche 41 in Kontakt mit der gesamten Innenfläche 22 der inneren Kugelschale 20 auf, das heißt, nicht nur mit dem Mittelabschnitt 24 sondern auch mit den Seitenabschnitten 25, 26 der Innenfläche 22.
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Das Lager 40 weist auch eine Innenfläche 42 auf, die dazu ausgebildet ist, in Gebrauch, in Kontakt mit der zylindrischen Außenfläche der Achse 60 zu sein.
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Vorzugsweise ist das Lager 40 einstückig.
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Das Lager 40 ist aus einem Material hergestellt, das weniger starr ist als das Material (die Materialien) der anderen Elemente des Kugelgelenks, insbesondere der inneren Kugelschale 20. Dieses macht es möglich, die Kontaktbelastungen an der Innenfläche 22 der inneren Kugelschale 20, die aus einem keramischen Material hergestellt ist, weiter zu reduzieren, indem das Lager 40 deformiert wird.
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Das Lager 40 kann aus einem Metallmaterial hergestellt sein, wie beispielsweise einem Stahl oder einer Aluminiumverbindung. Alternativ kann das Lager 40 aus einem Kompositmaterial, beispielsweise der Art mit einer Metallmatrix, oder einem synthetischen Material, wie beispielsweise PEEK, hergestellt sein.
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Vorzugsweise ist das Lager 40 in der Bohrung der inneren Kugelschale spritzgegossen. Alternativ wird das Lager 40 kraftschlüssig in der Bohrung der inneren Kugelschale 20 eingebracht. Alternativ und bevorzugt wird das Lager 40 hinsichtlich der inneren Kugelschale 20 gekühlt und/oder die innere Kugelschale wird erhitzt hinsichtlich des Lagers 40, sodass es möglich ist, durch unterschiedliche Wärmeexpansion, das Lager 40 frei in die Bohrung der inneren Kugelschale 20 ohne Widerstandskraft einzubringen. Nach einer gewissen Zeit, wenn die Temperatur des Lagers 40 und die der inneren Kugelschale 20 sich hinsichtlich eines ausgeglichenen Werts konvergiert haben, wird das Lager 40 durch positive Passung in der Bohrung des inneren Kugelschale 20 blockiert.
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Vorzugsweise weist das Lager 40, sobald es in der Bohrung der inneren Kugelschale eingebaut ist, eine radiale Passung mit der inneren Kugelschale auf, was einige Vorzüge hat. Zuerst macht es es möglich, das Lager 40 hinsichtlich der inneren Kugelschale 20 zu immobilisieren. Zweitens macht es es möglich, eine Druckkraft auf die inneren Kugelschale 20, insbesondere unter deren Innenfläche 22, zu erzeugen.
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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.
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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.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung (nicht dargestellt) ist ein selbstschmierendes Gewebe zwischen der Innenfläche
32 der äußeren Kugelschale
30 und der Außenfläche
21 der inneren Kugelschale
20 dazwischen gelegt. Ein derartiges selbstschmierendes Gewebe ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
EP-A-2955400 , bekannt.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- A1
- Achse
- L
- Breite
- P
- Mittelebene
- Y
- Radialabstand
- X
- Axialabstand
- K
- vorgegebene Konstante
- 10
- Kugelgelenk
- 20
- innere Kugelschale
- 21
- Außenfläche
- 22
- Innenfläche
- 23
- Seitenwandung
- 24
- Mittelabschnitt
- 25, 26
- Seitenabschnitte
- 30
- äußere Kugelschale
- 31
- Außenfläche
- 32
- Innenfläche
- 33
- Seitenwandung
- 40
- Lager
- 41
- Außenfläche
- 42
- Innenfläche
- 50
- Gehäuse
- 60
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008031559 A1 [0002]
- EP 1431597 B1 [0003]
- JP H04305411 [0004]
- FR 2770597 A [0050]
- EP 2963304 A [0051]
- EP 2955400 A [0052]
