-
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des elften Patentanspruchs.
-
Derartige Kugelgelenke finden als sicherheitsrelevante Bauteile in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen (bevorzugt in PKWs) Anwendung.
-
Bereits aus
DE 1 796 019 U ist ein Kugelgelenk bekannt, bei dem das bewegliche Element innerhalb eines Gehäuses in einer Auskleidung schwenkbar gelagert ist. Die Auskleidung besteht aus einem auf Wärme ansprechenden synthetischen Material, das im Wege des Einspritzens oder Gießens zwischen dem beweglichen Element und dem Gehäuse geformt und an Ort und Stelle nachbehandelt bzw. gehärtet wird. Um zu verhindern, dass sich die Auskleidung innerhalb Gehäuses dreht, können an der Innenfläche des Gehäuses eine oder mehrere Aussparungen vorgesehen sein in denen sich das Auskleidungsmaterial verankert. Wie die Aussparungen ausgeführt sein sollen, wird nicht offenbart.
-
In Zugrichtung (in Richtung zum Kugelzapfen) ist eine relativ scharfkantige Durchmesserreduzierung vorhanden, durch welche es bei Zugbeanspruchung zum Reißen des injizierten Materials kommen kann.
-
In der Druckschrift
WO 97/41361 A1 wird ein Kugelgelenk bestehend aus einem Kugelgelenkgehäuse mit angeformten Befestigungsmitteln beschrieben, bei dem die Lagerschale aus einem durch eine Angussöffnung des Kugelgelenkgehäuses bei eingesetzter Kugel des Lagerzapfens eingespritzten und ausgehärteten Kunststoff-Gieß- oder -Spritzteil besteht. Zur guten Verankerung der eingespritzten Lagerschale in der Aussparung des Kugelgelenkgehäuses ist die Aussparung an ihrer Innenwand angeraut oder gerieft ausgebildet.
-
Es ist ebenfalls aus
WO 99/09328 A1 und aus
WO 99/28639 A1 bekannt, dass ein Kugelgelenk ein Kugelgelenkgehäuse mit einem Kugelhohlraum, eine obere Einsetzöffnung und zumindest eine, beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite angebrachte Einspritzöffnung besitzt. In den Kugelhohlraum ist eine an einem Lagerzapfen angeformte Kugel als Gelenkkugel mit einer auf diese aufgeschnappte Lagerschale durch die entsprechend groß ausgebildete Einsetzöffnung eingesetzt. Die Gelenkkugel wird in geeigneter Weise möglichst zentrisch im Kugelhohlraum des Kugelgelenkgehäuses fixiert und dann mit einer Zwischenschicht aus einem polymerisierenden Kunststoff, beispielsweise einem Thermoplast hinterspritzt. Der Einspritzvorgang erfolgt durch die Einspritzöffnung. Die Innenwand des Kugelgelenkgehäuses bzw. des Kugelhohlraumes kann eine unbearbeitete, raue Oberfläche aufweisen. Diese kann eine unbearbeitete Oberfläche bei einem Metallgussteil, einem Blechformteil, einem Kaltfließpressteil, einem Schmiedeteil oder dgl. sein. Die Oberfläche kann, gegebenenfalls zusätzlich, Nuten, Rillen oder Riefen aufweisen. Eine Aussage, wie diese raue bzw. unbearbeitete Oberfläche oder die Nuten, Rillen und Riefen konstruktiv ausgeführt sein sollen, wird nicht getroffen.
-
Aus der Druckschrift
EP 0 860 619 A1 ist ein Kugelgelenk bekannt, bestehend aus einem Kugelgelenkgehäuse mit in einer Aussparung desselben vorhandenen Lagerschale, in der die Kugel eines Kugelzapfens gelagert ist. Nach Fixierung des Kugelzapfens mit der Kugel in der vorgesehenen Endlage wird über eine Angussöffnung im Kugelgelenkgehäuse der verbleibende Hohlraum zwischen Kugelgelenkgehäuse und Kugel mit einem elastomeren Kunststoff aus einem Material mit guten Gleitreibungseigenschaften ausgespritzt und so die Lagerschale gebildet. Nach dem Einspritzen der Lagerschale und eines Dämpfungselements in die Öffnung des Kugelgelenkgehäuses wird dieses mit einem Abschlusselement aus einem sehr harten, zähen Material ausgespritzt. An der Innenseite des Kugelgelenkgehäuses ist eine radial nach außen gerichtete Nut vorgesehen, in welche das Material des eingespritzten Abschlusselementes eingreift.
-
Diese Nut ist sehr scharfkantig ausgeführt derart, dass der Kunststoff bei hoher axialer Beanspruchung durch die auftretende Kerbwirkung reißen kann.
-
Bei einem Kugelgelenk nach
WO 00/26550 A1 und nach
DE 198 30 593 C1 wird ebenfalls der Zwischenraum einer Lagerschale, in der die Kugel eines Kugelzapfens schwenkbar aufgenommen ist und der Innenraum eines Kugelgelenkgehäuses mit Kunststoff ausgespritzt und dadurch die Lagerschale mit dem Kugelzapfen im Kugelgelenkgehäuse fixiert / befestigt. Das Gehäuse weist eine Einspritzöffnung mit einem Radius auf, bis über welchen sich der eingespritzte Kunststoff erstreckt, so dass er über die dem Kugelzapfen abgewandte Unterseite des Kugelgelenkgehäuses greift. In Richtung zum Kugelzapfen schließt sich innen im Kugelgelenkgehäuse ein radial nach außen erweiternder und danach ein sich wieder im Innendurchmesser reduzierender Bereich an. Dazwischen ist ein relativ geringer Radius ausgebildet.
-
Bei
DE 198 30 593 C1 reicht das injizierte Material über die in Richtung zum Kugelzapfen weisende Öffnung des Gehäuses hinaus und bildet den Anschlussbereich für die Aufnahme des Dichtungsbelages.
-
Insbesondere bei hohen Temperaturen im Bereich bzw. über 80°C besteht bei den bekannten Lösungen, bei welchen ein mit seiner Kugel in einer Lagerschale positionierter Kugelzapfen in einem Gehäuse durch Ausspritzen des Raumes zwischen Lagerschale und Gehäuse mit Kunststoff befestigt wird die Gefahr, dass bei hohen axialen Kräften, die auf den Kugelzapfen wirken, der eingespritzte Kunststoff die Verklammerung mit der Innenseite des Gehäuses löst und/oder an scharfen Kanten an der Innenseite des Gehäuses durch die Kerbwirkung bricht und es zu einem Versagen des Bauteils kommen kann.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln, welches insbesondere zum Einsatz in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist und den hohen mechanischen Beanspruchungen auch bei hohen Temperaturen standhält.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und elften Patentanspruchs gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk weist ein Gehäuse mit einem Hohlraum zur Aufnahme einer in einer Lageschale beweglich gelagerten Kugel eines Kugelzapfens auf, wobei der Hohlraum eine Innenwandung und das Gehäuse eine erste Öffnung in einem in Richtung zu einem Zapfen des Kugelzapfens weisenden ersten Randbereich aufweist, durch welche der Kugelzapfen ragt und mit einem Zwischenraum zwischen der Innenwandung des Hohlraums des Gehäuses und der Außenwandung der Lageschale, der mit einem injizierfähigen aushärtendem Material gefüllt ist, sowie mit mindestens einer durch die Wandung des Gehäuses zu dessen Hohlraum führenden Zuführöffnung für die Injektion des Materials, wobei das Gehäuse der ersten Öffnung gegenüberliegend eine zweite Öffnung aufweist und das Gehäuse an seiner Innenwandung ein oder mehrere Strukturelemente aufweist, welche eine auszugssichere Verklammerung mit dem injizierten Material bilden und wobei in der Innenwandung des Gehäuses mindestens eine wendelförmig (gewindeförmig) verlaufende Rille ausgebildet ist und/oder mehrere Nuten und/oder Rillen und/oder Riefen innen eingebracht sind, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind oder die Nuten, Rillen, Riefen sich kreuzen, und/oder eine Kreuzrändelung ausgebildet ist.
-
Durch die Verklammerung des injizierten Materials mit der Innenwand des Gehäuses wird gewährleistet, dass große Ausrückkräfte auf den Kugelzapfen auch bei hohen Temperaturen im Bereich von 80°C und darüber aufgenommen werden können, auch wenn die erste oder zweite Öffnung, durch welche der Kugelzapfen mit der auf dessen Kugel aufgenommener Lagerschale in das Gehäuse eingebracht wird, größer ist als der Außendurchmesser der Kugel des Kugelzapfens.
-
Vorteilhafter Weise ist mindestens ein Strukturelement zwischen einem Äquatorbereich der Kugel und einer zweiten Öffnung des Gehäuses zum Einbringen einer vormontierten Baugruppe aus Kugelzapfen und auf dessen Kugel montierter Lagerschale in das Gehäuse angeordnet, wobei die zweite Öffnung größer als die erste Öffnung und der Außendurchmesser der Lagerschale ist.
-
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk weist insbesondere die nachfolgenden Strukturelemente /Merkmalsgruppen a) bis d) einzeln oder in beliebigen Kombinationen auf:
- a) dass das Gehäuse an seiner Innenwandung zumindest bereichsweise eine große Rautiefe / Rauigkeit aufweist,
- b) dass ein zwischen Lagerschale und Innenwandung des Gehäuses vorhandenes Volumen des injizierten Materials in Richtung zur zweiten Öffnung zunimmt,
- c) dass in der Innenwandung des Gehäuses eine oder mehrere Nuten, Rillen, Riefen oder eine Rändelung einzeln oder in beliebigen Kombinationen ausgebildet ist/sind,
- d) dass sich an die zweite Öffnung des Gehäuses ein sich in Richtung zur ersten Öffnung radial erweiternder Bereich in Form eines Absatzes anschließt.
-
Bevorzugt weist die Innenwandung des Gehäuses einen arithmetischen Mittenrauheitswert Ra von 10 µm bis 75 µm, besonders bevorzugt von 10 µm bis 63 µm auf.
-
Weiterhin kann zwischen Lagerschale und Innenwandung des Gehäuses das vorhandene Volumen des injizierten Materials in Richtung zur zweiten Öffnung so zunehmen, dass die Wanddicke des injizierten Materials im Bereich der zweiten Öffnung und/oder im Bereich eines sich an die zweite Öffnung anschließenden radial nach außen weisenden Absatzes an der Innenwandung des Gehäuses am größten ist.
-
Das Gehäuse kann auch in dem Bereich der ersten Öffnung und/oder in dem Bereich der zweiten Öffnung einen durch ein Umformverfahren radial nach innen gebogenen Wandbereich aufweisen.
-
Sind eine oder mehrere Rillen, Riefen, Nuten und/oder eine Rändelung im Gehäuse vorhanden, beträgt deren Tiefe bevorzugt 0,3 mm bis 1,5 mm. Die Rillen, Riefen, Nuten und/oder eine Rändelung sind bevorzugt im Bereich der zweiten Öffnung des Gehäuses in einem im Wesentlichen zylindrischen Bereich der zweiten Öffnung angeordnet.
-
Das Gehäuse weist in Richtung zum Zapfen einen ersten Randbereich in Form eines sich axial erstreckenden ersten Vorsprungs mit der ersten Öffnung und gegenüberliegend einen zweiten Randbereich mit der zweiten Öffnung auf, wobei das injizierte Material den ersten und/oder den zweiten Randbereich außen umhüllt.
-
Die Kugel weist vorteilhafter Weise einen Polbereich mit einer zentrischen Ausnehmung auf, in welche die Lagerschale mit einem sich in Richtung zum Zapfen erstreckenden Vorsprung eingreift. Dadurch wird die Lagerschale sicher auf der Kugel des Kugelzapfens aufgenommen. Nachdem das Material injiziert und das Kugelgelenk somit fertiggestellt ist, wird bei einer ersten Schwenk- bzw. Taumelbewegung des Kugelzapfens der in die Ausnehmung der Kugel greifende Vorsprung abgebrochen und die Kugel kann nun frei in der Lagerschale geschwenkt werden.
-
Die Herstellung des Kugelgelenks mit einem Gehäuse mit einem Hohlraum mit einer Innenwandung sowie mit einer ersten Öffnung und einer gegenüberliegenden zweiten Öffnung und einer im Gehäuse in einer Lagerschale schwenkbar aufgenommenen Kugel eines Kugelzapfens, der durch Injizieren eines sich verfestigenden Materials zwischen Lagerschale und einer Innenwandung im Gehäuse befestigt wird, erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass
- - dass ein oder mehrere eine Verklammerung mit dem injizierten Material gewährleistende Strukturelemente an der Innenwandung des Gehäuses erzeugt werden,
- - dass vor oder nach dem Erzeugen der Strukturelemente eine vormontierte Einheit aus Kugelzapfen und auf dessen Kugel montierter Lagerschale in das Gehäuse eingebracht wird und
- - anschließend das Material in den Raum zwischen der vormontierten Einheit und der Innenwandung des Gehäuses eingebracht wird.
-
Erfindungsgemäß werden vor dem Einsetzen des Kugelzapfens mit der Lagerschale und dem injizieren des Materials an der Innenwandung des Gehäuses zumindest bereichsweise Strukturelemente in Form einer großen Rautiefe / Rauigkeit durch eine spanende Bearbeitung, insbesondere eine Drehbearbeitung eingebracht und/oder in der Innenwandung des Gehäuses eine oder mehrere Nuten und/oder Rillen und/oder Riefen durch eine spanende Bearbeitung, insbesondere Drehbearbeitung eingebracht.
-
Weiterhin kann das Gehäuse in dem Bereich der ersten Öffnung und/oder in dem Bereich der zweiten Öffnung durch ein radiales Umformverfahren radial nach innen umgeformt wird derart, dass sich innen im Gehäuse an die zweite Öffnung ein sich in Richtung zur ersten Öffnung radial erweiternder Bereich in Form eines Absatzes anschließt.
-
Es ist auch möglich, ein oder mehrere Strukturelemente an der Innenwandung des Gehäuses durch ein radial nach innen gerichtetes Umformverfahren wie Rundkneten, Biegen, Stauchen zu erzeugen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Variante des Gehäuses 1 im Längsschnitt,
- 2 Längsschnitt eines Kugelgelenks mit einem Gehäuse nach 1,
- 3 eine zweite Variante eines Gehäuses 1 im Längsschnitt,
- 4 Längsschnitt eines Kugelgelenks mit einem Gehäuse nach 3,
- 5 eine dritte Variante des Gehäuses 1 im Längsschnitt,
- 6 Längsschnitt eines Kugelgelenks mit einem Gehäuse nach 5
- 7 Längsschnitt einer Vorform eines Gehäuses,
- 8 Gehäuse 1 mit darin positionierter vormontierter Baugruppe aus Kugelzapfen und Lagerschale, eingelegt in ein kombiniertes Umform-/ Spritzgießwerkzeug,
- 9 im Spritzgießwerkzeug umgeformtes Gehäuse,
- 10 Spritzgießwerkzeug nach dem Injizieren des Kunststoffs,
- 11 Kugelgelenk nach Entnehmen aus dem Spritzgießwerkzeug.
-
In 1 wird das Gehäuse 1 des Kugelgelenks als Einzelteil dargestellt. Es weist einen Hohlraum 1.1 mit einer Innenwandung 1.1.1 und zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen, hier einer oberen ersten Öffnung 1.2 und einer unteren zweiten Öffnung 1.3, auf. In dem hier oberen Randbereich 1.4 des Gehäuses 1 befindet sich die erste Öffnung 1.2, in dem unteren Randbereich 1.5 die zweite Öffnung 1.3.
-
Das Gehäuse 1 kann beispielsweise als Metallgussteil, Blechformteil, Kaltfließpressteil oder Schmiedeteil ausgebildet sein.
-
Die hier obere erste Öffnung 1.2 weist einen kleineren Innendurchmesser d1.2 auf, als der Innendurchmesser d1.3 der unteren zweiten Öffnung 1.3. Zwischen der oberen ersten Öffnung 1.2 und der unteren zweiten Öffnung 1.3 erstreckt sich ein im Wesentlichen zylindrischer Bereich 1.6 mit einem im Vergleich zu d1.2 und d1.3 größeren Innendurchmesser d1.6.
-
Das Gehäuse 1 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Außendurchmesser D1 auf. Der erste Randbereich 1.4 weist einen dazu reduzierten Außendurchmesser D1.4 auf. Der Durchmesser D1.4 des ersten Randbereiches reduziert sich auf einen etwas kleineren Durchmesser 1.4`, so dass an der Außenkontur des Randbereichs 1.4 ein Hinterschnitt 1.4.1 gebildet wird.
-
Der hier untere zweite Randbereich 1.5 weist im Vergleich zum Außendurchmesser D1 einen ebenfalls reduzierten Außendurchmesser D1.5 auf.
-
Den Querschnitt eines Kugelgelenkes durch das Gehäuse 1 mit der Kugel 3 des Kugelzapfens 2, die in einer Lagerschale 4 schwenkbar aufgenommen ist und mit dem injizierten Material 5 zeigt 2. Die Längsachse A des Kugelzapfens 2 fällt in der nicht geschwenkten Position mit der nicht bezeichneten Längsachse des Gehäuses 1 zusammen.
-
In dem Gehäuse 1 ist die Lagerschale 4 mit der Kugel 3 eines Kugelzapfens 2 (hier nur teilweise dargestellt) angeordnet. Die Lagerschale 4 besteht bevorzugt aus POM (Polyoxymethylen).
-
Der Raum zwischen Lagerschale 4 und dem Hohlraum 1.1 des Gehäuses 1 ist mit einem injizierfähigen aushärtbarem Material 5, z.B. Kunststoff, bevorzugt PA (Polyamid), Harz oder dergleichen ausgespritzt, wodurch der in der Lagerschale 4 aufgenommene Kugelzapfen 2 in dem Gehäuse 1 positioniert ist. Zusätzlich wird mit dem injizieren Material 5 die Unterseite der Lagerschale 4 sowie der in Richtung zum Zapfen 2.1 des Kugelzapfens 2 ragende obere erste Randbereich 1.4 und der untere zweite Randbereich 1.5 mit dem injizierfähigen Material 5 umspritzt. Das injizierte Material 5 reicht um den ersten Randbereich 1.4 und den Hinterschnitt 1.4.1 bis zu einer radial nach außen weisenden ersten Schulter 1.7 des Gehäuses 1 und um den zweiten Randbereich 1.5 bis zu einer radial nach außen weisenden zweiten Schulter 1.8 des Gehäuses 1.
-
Die Kugel 3 weist an ihrer hier unten liegenden nicht bezeichneten Polseite eine sacklochartige Aussparung 3.1 auf, in welche ein Vorsprung 4.1 der Lagerschale 3 eingreift. Dadurch wird die Lagerschale 4 lagesicher auf der Kugel 3 positioniert, wenn diese vormontierte Baugruppe aus Kugelzapfen 2 und Lagerschale 4 in das Gehäuse 1 eingesetzt wird.
-
Der Vorsprung 4.1 weist eine nicht dargestellte Sollbruchstelle auf. Wird der Kugelzapfen 2 nach der Fertigstellung des Kugelgelenks mit einer Schwenkkraft FS beaufschlagt, so bricht die Sollbruchstelle und die Kugel 3 des Kugelzapfens 2 kann nun frei in der Lagerschale 4 geschwenkt werden, wobei der Vorsprung 4.1 in der Aussparung 3.1 verbleibt.
-
Die vormontierte Einheit aus Kugelzapfen 2 und Lagerschale 4 wird mit dem Zapfen 2.1 voran durch die hier untere zweite Öffnung 1.3 in das Gehäuse 1 bis zur gewünschten Positionierung eingelegt, wobei dann der Zapfen 2.1 durch die erste Öffnung 1.2 ragt. Dabei ist für die Montage sicherzustellen, dass der Innendurchmesser d1.3 der zweiten Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 etwas größer ist, als der nicht bezeichnete Außendurchmesser der Lagerschale 4.
-
Es ist auch möglich, dass das Gehäuse 1 so in das nicht dargestellte Spritzgießwerkzeug eingelegt wird, dass sich die erste Öffnung 1.3 oben und die zweite Öffnung 1.2 (mit dem kleineren Innendurchmesser d1.2) unten befindet. Dann weist der Zapfen 2.1 beim Einlegen in das Gehäuse 1 nach unten.
-
Die Innenwandung 1.1.1 des Gehäuses 1 weist als ein nicht dargestelltes erstes Strukturelement der Merkmalsgruppe a) eine Rauigkeit (Mittenrauheitswert) zwischen Ra10 bis Ra63 (angegeben in Mikrometer) auf. Diese Rauigkeit wird bevorzugt durch eine Drehbearbeitung erzeugt.
-
Diese große Rauigkeit kann in dem zylindrischen Bereich 1.6 und/oder in der ersten und/oder zweiten Öffnung 1.2, 1.3 vorhanden sein oder sich über den gesamten Bereich der Innenwand 1.1.1 des Gehäuses 1 erstrecken.
-
Das erste Strukturelement ist hier kombiniert mit einem vierten Strukturelement (Merkmalsgruppe d), welches sich innen an die zweite Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 anschließt und in Form eines sich in Richtung zur ersten Öffnung 1.2 mit einem ersten Winkel α1 zwischen 100° bis 130° (siehe 1) radial v erweiternder Bereich in der Art eines ersten Absatzes 1.9 ausgebildet ist. Der erste Absatz 1.9 weist eine konvexe Krümmung mit einem relativ großen ersten Radius r1 auf. Dieser liegt bevorzugt zwischen 1,0 mm und 6 mm, besonders bevorzugt zwischen 2,0 mm und 4mm.
-
Gegenüberliegend ist in Richtung zur ersten Öffnung 1.2 eine konkave Krümmung mit einem zweiten Radius r2 (siehe 1) vorgesehen der zwischen 4 mm bis 12,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 6 mm und 10 mm liegt, wodurch sich der Innendurchmesser der Innenwandung 1.1.1 des Gehäuses 1 von dem Durchmesser d1.6 auf den Durchmesser d1.2 der ersten Öffnung 1.2 reduziert.
-
Der Innendurchmesser d1.2 wird so gewählt, dass zwischen diesem und dem nicht bezeichneten Außendurchmesser der Kugel 3 (siehe 2) eine metallische Überdeckung b in Auszugsrichtung, d.h. in Richtung zum Kugelzapfen 2.1 vorhanden ist, wodurch große Kräfte in Auszugsrichtung aufgenommen werden können.
-
Die neuartige konstruktive Innengestaltung des Gehäuses 1 gewährleistet, dass ebenfalls eine relativ große Axialkraft F / Ausdrückkraft (siehe 2) in Ausdrückrichtung aus Richtung des Kugelzapfens 2 auch ohne Überdeckung zwischen dem Durchmesser d1.3 der zweiten Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 und dem Außendurchmesser der Kugel 3 bzw. der Lagerschale 4 auch bei hohen Temperaturen im Bereich von 80°C und darüber aufgenommen werden kann, ohne dass es zum Versagen des Kugelgelenkes kommt.
-
Das injizierte Material gewährleistet durch die große Rauigkeit der Innenwandung 1.1.1 des Gehäuses 1 eine gute Verklammerung bzw. einen guten Grip mit dieser. Durch den ersten Absatz 1.9 mit der konvexen Krümmung wird ebenfalls gewährleistet, dass eine große Ausdrückkraft F aufgenommen werden kann, ohne dass das injizierte Material reist oder anderweitig versagt, da durch diese konstruktive Gestaltung des ersten Absatzes 1.9, der zwischen dem Äquatorbereich B der Kugel 3 und der zweiten Öffnung 1.3 angeordnet ist, dem Ausdrücken des Kugelzapfens 2 bzw. des Materials 5 bei einer wirkenden Axialkraft F ein größerer Widerstand entgegengesetzt wird bzw. ein Brechen des injizierten Materials verhindert wird.
-
In 3 ist der Längsschnitt eines Gehäuses 1 und in 4 ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse 1 gemäß 3 dargestellt, welches im Wesentlichen der konstruktiven Gestaltung in 1 und 2 entspricht. Im Unterschied zu der Variante in 1 und 2 weist das Gehäuse 1 einen zweiten Absatz 1.10 mit einem Winkel α2 auf, der bevorzugt zwischen 95° und 125° liegt, wodurch sich der Innendurchmesser des Gehäuses 1 von dem Innendurchmesser d1.6 des im Wesentlichen zylindrischen Bereichs 1.6 auf den Durchmesser d1.3 der zweiten Öffnung 1.3 reduziert, wodurch ein viertes Strukturelement der Merkmalsgruppe d) gebildet wird, welches ebenfalls zwischen dem Äquatorbereich B der Kugel 3 und der zweiten Öffnung 1.3 angeordnet ist (siehe 4).
-
Das Gehäuse 1 weist weiterhin ein drittes Strukturelement der Merkmalsgruppe c) in Form einer Rändelung 6 (hier Kreuzrändelung) auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel in einem zylindrischen Bereich der ersten Öffnung 1.3 eingebracht ist. Damit sind hier zwei Strukturelemente der Merkmalsgruppen c) und d) am Gehäuse 1 vorhanden.
-
Es ist jedoch auch möglich, nur eines dieser Strukturelemente, d.h. nur einen Absatz oder nur eine Rändelung zu verwenden oder auch die beiden Strukturelemente der Merkmalsgruppen c) und d) mit einem ersten Strukturelement der Merkmalsgruppe a) in Form einer erhöhten Rauigkeit (wie bei 1 und 2) zu kombinieren (nicht dargestellt).
-
Der zweite Absatz 1.10 wirkt bei einer Axialkraft F / Ausdrückkraft, welche die Kugel 3 des Kugelzapfens 2 in Richtung zur zweiten Öffnung beaufschlagt (siehe 4), hemmend (bremsend) gegen ein Ausdrücken und/oder Brechen des injizierten Materials 5 und somit auch gegen ein Ausdrücken des Kugelzapfens 2 mit der Lagerschale 4 auch bei hohen Temperaturen.
-
Dadurch, dass im Bereich der Öffnung 1.3 eine Rändelung 6 vorhanden ist, verklammert sich zusätzlich das injizierte Material 5 mit der Rändelung 6, wodurch ebenfalls höhere Axialkräfte F in Ausdrückrichtung aufgenommen werden können.
-
Die Rändelung 6 (drittes Strukturelement - Merkmalsgruppe c) kann auch an anderen Positionen angeordnet sein und sich auch über die gesamte Innenwandung 1.1.1 des Gehäuses 1 erstrecken.
-
Auch bei der Darstellung gem. 4 fällt die Längsachse A des Kugelzapfens 2 mit der nicht bezeichneten Längsachse des Gehäuses zusammen.
-
In 5 ist der Längsschnitt eines Gehäuses 1 und in 6 ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse gemäß 4 dargestellt, welches ebenfalls im Wesentlichen der konstruktiven Gestaltung in 1 und 2 entspricht. Im Unterschied zu der Variante in 1 und 2 weist das Gehäuse 1 ein z drittes Strukturelement der Merkmalsgruppe c) in Form mehrerer ringförmiger Vertiefungen in Form von Nuten 7 (hier drei radial umlaufende Nuten 7) auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel in einem zylindrischen Bereich der ersten Öffnung 1.2 eingebracht sind. Der Flankenwinkel β der Nuten 7 liegt bevorzugt zwischen 50° und 70°, insbesondere bei 60°.
-
Das dritte Strukturelement der Merkmalsgruppe c) ist hier kombiniert mit einem vierten Strukturelement der Merkmalsgruppe d) in Form eines Absatzes 1.9 welcher im Wesentlichen wie in 1 und 2 ausgebildet ist und sich innen an die zweite Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 anschließt und in Form eines sich in Richtung zur ersten Öffnung 1.2 mit einem ersten Winkel α1 (5) zwischen 95° bis 125° (siehe 1), bevorzugt von 110° radial verringernder Bereich in der Art eines ersten Absatzes 1.9 ausgebildet ist. Weitergehend weist der erste Absatz 1.9 eine konvexe Krümmung mit einem relativ großen ersten Radius r1 auf. Dieser liegt bevorzugt zwischen 1,0 mm bis 6 mm, insbesondere zwischen 2,0 mm und 4 mm.
-
Zusätzlich kann weiterhin wie in 1 und 2 ein erstes Strukturelement (Merkmalsgruppe a) in Form einer erhöhten Rauigkeit (nicht dargestellt) bereichsweise oder komplett an der Innenwandung 1.1.1 vorgesehen sein.
-
Der erste Absatz 1.9 wirkt bei einer Axialkraft F, welche die Kugel 3 des Kugelzapfens 2 in Richtung zur zweiten Öffnung 1.3 beaufschlagt, hemmend (bremsend) gegen ein Ausdrücken und/oder Brechen des injizierten Materials 5 und somit auch gegen ein Ausdrücken das Kugelzapfens 2 mit der Lagerschale 4 auch bei hohen Temperaturen.
-
Dadurch, dass im Bereich der Öffnung 1.3 mehrere radial umlaufende Nuten 7 vorhanden sind, verklammert sich zusätzlich das injizierte Material 5 mit den Nuten 7, wodurch ebenfalls höhere Axialkräfte F in Ausdrückrichtung aufgenommen werden können.
-
Es ist gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels auch möglich, anstelle mehrerer Nuten 7 nur eine wendelartige Nut mit einer Steigung in der Art eines Gewindes in das Gehäuse 1 einzubringen.
-
Das in den 1 bis 6 dargestellte Gehäuse 1 kann beispielsweise durch Fließpressen, ein radiales Umformverfahren, Gießen usw. in Verbindung mit einem spanenden Umformverfahren zur Herstellung der Strukturelemente an der Innenwandung gefertigt werden.
-
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann auch ein radial nach innen gerichtetes Umformen eines Endes oder beider Enden des Gehäuses auch nach dem Positionieren des Kugelzapfens mit der auf der Kugel sitzenden Lagerschale im Gehäuse in dem durch das Schließen des Spritzgießwerkzeuges erfolgen, wenn das Spritzgießwerkzeug eine entsprechende Schließkraft und Werkzeuggeometrie aufweist.
-
7 zeigt den Längsschnitt einer Vorform 1V eines Gehäuses. Die Vorform 1V ist in der Art einer Hülse ausgebildet und weist einen Hohlraum 1.1 mit einer Innenwandung 1.1.1 sowie eine erste Öffnung 1.2 mit einem ersten Randbereich 1.4 auf, der hier nach unten weist und an seinem Außenumfang bereits mit einem Hinterschnitt 1.4.1 versehen ist (wie bei den Gehäusen 1 Varianten gem. 1 bis 6).
-
Innen an die erste Öffnung 1.2 schließt sich ein zweiter konkaver Radius r2 an der ebenfalls wie bei den Gehäusen der vorher beschriebenen Varianten bevorzugt zwischen 5mm bis 12mm, insbesondere zwischen 6 mm und 9 mm liegt. An den zweiten Radius r2 schließt sich innen ein im Wesentlichen zylindrischer Bereich 1.6 an, der sich bis zur gegenüberliegenden Öffnung 1.3V der Vorform 1V erstreckt. Außen schließt sich an den Hinterschnitt 1.4.1 des ersten Randbereiches 1.4 eine erste Schulter 1.7 an. Nach der ersten Schulter 1.7 in Richtung zur Öffnung 1.3V der Vorform 1V erstreckt sich ein im Wesentlichen zylindrischer Außendurchmesser D1 der im Wesentlichen dem späteren Außendurchmesser des Gehäuses entspricht. In Richtung zur Öffnung 1.3V der Vorform verringert sich dann die Außenkontur der Vorform vom Außendurchmesser D1 beispielsweise in der Art einer Schräge 1SV, die bevorzugt einen Winkel γ von 20° bis 90, insbesondere von 30° bis 60°.aufweist. Stirnseitig ist auf der Seite der Öffnung 1.3V ein dritter Radius r3V von 0,3mm bis 3 mm vorhanden.
-
Später wird die Vorform 1V an ihrem der ersten Öffnung 1.2 gegenüberliegenden Bereich bevorzugt nach dem Einsetzen der vormontierten Baugruppe aus Kugelzapfen und Lagerschale über die Öffnung 1.3V mit dem Kugelzapfen voran in den Hohlraum 1.1., so dass die Kugel mit der Lagerschale sich innerhalb der Öffnung 1.1 befindet, radial nach innen umgeformt.
-
8 zeigt die Vorform 1V des Gehäuses mit darin positionierter vormontierter Baugruppe aus Kugelzapfen 2 und auf dessen Kugel 3 sitzender Lagerschale 4, eingelegt in ein kombiniertes Umform-/Spritzgießwerkzeug 10, wobei die Kugel 3 mit der Lagerschale 4 in dem Hohlraum 1.1 der Vorform 1V aufgenommen ist, so dass ein Zwischenraum zwischen der Innenwandung 1.1.1V der Vorform 1V und der Außenkontur der Lagerschale 4 und des Bereiches der Kugel 3, der die Lagerschale 4 überragt, vorhanden ist. Lediglich die nicht bezeichneten polseitigen Bereiche von Lagerschale 4 und Kugel 3 ragen etwas über den stirnseitigen Bereich der Vorform 1V im Bereich der Öffnung 1.3V hinaus. Der Kugelzapfen 2 mit der auf der Kugel 3 sitzenden Lagerschale 4 wurde mit seinem Zapfen 2.1 voran durch die Öffnung 1.3V in den Hohlraum 1.1 der Vorform 1V eingebracht.
-
Das kombinierte Umform-/ Spritzgießwerkzeug 10 besitzt ein erstes Unterteil 11.1, auf dem die Vorform 1V mit der ersten Schulter 1.7 aufliegt und sich bei der Umformung abstützt. Ein radial innen zum ersten Unterteil angeordnetes zweites Unterteil 11.2 (welches mehrteilig in Form von Schiebern ausgebildet sein kann) begrenzt in Richtung zum Kugelzapfen 2.1 und im Abstand zum ersten Randbereich 1.4 den Raum für das zu injizierende Material.
-
An ihrem im Wesentlichen zylindrischen Außenumfang wird die Vorform 1V durch eine ringförmige Abstützung 12 radial fixiert.
-
Es ist weiterhin ein zweiteiliges Oberwerkzeug, bestehend aus einem ersten Oberteil 13 und aus einem innerhalb angeordneten zweiten Oberteil 14 vorgesehen, welches sich hier in der noch geöffneten Position befindet.
-
Das erste Oberteil 13 weist in Richtung zur Vorform eine erste Umformkontur 13.1 auf, die hier fett gezeichnet hervorgehoben ist.
-
Das zweite Oberteil 14 weist ebenfalls in Richtung zur Vorform, aber radial außen liegend eine zweite Umformkontur 14.1 auf, die ebenfalls fett gezeichnet hervorgehoben ist.
-
Die erste Umformkontur 13.1 und die zweite Umformkontur 14.1 grenzen zum Umformen aneinander an, wie in 8 dargestellt. Weiterhin weist das zweite Oberteil 14 in Richtung zum Kugelzapfen 3 eine hier fett gestrichelt dargestellte Kontur 14.2 für das Spritzgießen sowie eine Zuführöffnung 15 für das zu injizierende Material auf.
-
Nach dem Einlegen der Einheit aus Kugelzapfen 2 und Lagerschale 3 in das Werkzeug gem. 8 wird dieses mit einer Umformkraft geschlossen indem die beiden Oberteile 13, 14 gemeinsam in Richtung zu den Unterteilen 11.1, 11.2 bewegt werden, wobei durch die Umformkraft die Vorform 1V an ihrem in Richtung zu den Oberteilen weisenden Bereich mittels der Umformkonturen 13.1 und 14.1 radial nach innen umgeformt werden. Dieser Umformvorgang wird durch die Schräge 1SV (s. 7) der Vorform 1V begünstigt.
-
9 zeigt das im kombinierten Umform-/ Spritzgießwerkzeug 10 aus der Vorform 1V umgeformte Gehäuse 1 mit einem im Bereich der Kugel 3 und der darauf sitzenden Lagerschale 4 aufgenommenem Kugelzapfen 2
-
Um zu gewährleisten, dass der radial nach innen umgeformte Bereich ebenfalls bereichsweise umspritzt werden kann, wird nun das zweite Oberteil 14 im Vergleich zum Oberteil 13 in Richtung des dick hervorgehobenen Pfeiles (s. 9) bewegt, so dass die vorher aneinander grenzenden Umformkonturen 13.1, 14.1 nun um einen Betrag h (siehe 10) beabstandet sind. Ein großer Vorteil ist dabei, dass dieser umgeformte Bereich zurückfedern kann (dadurch wird gewährleistet, dass auf den injizierten Kunststoff später keine Spannungen nach dem Öffnen des Werkzeuges wirken).
-
Dann wurde gem. 10 über die Zuführöffnung 15 Kunststoff als injiziertes Material 5 in den nicht bezeichneten Formenhohlraum eingespritzt. Dieser wird durch den Abstand zwischen Lagerschale 4 / Kugel 3 und Innenwand 1.1.1 des Gehäuses 1 sowie durch die Abstände der nicht bezeichneten Formkonturen des Werkzeuges 10 zum Gehäuse 1 gebildet. Dabei bildet die Umformkontur 14.1 des zweiten Oberwerkzeuges 14 gemeinsam mit der Kontur 14.2 eine Formkontur für das Spritzgießen.
-
Der Kunststoff / das injizierte Material 5 fixiert nun die Kugel 3 des Kugelzapfens 2 mit der darauf sitzenden Lagerschale 4 im Gehäuse 1 und der Vorsprung 1.4 wird bis zur Schulter 1.7 umspritzt. Weiterhin wird die Lagerschale 4 an ihrer nicht bezeichneten Polseite umspritzt und auch der radial nach innen umgeformte Bereich des Gehäuses 1, der nun die zweite Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 aufweist.
-
11 zeigt das Kugelgelenk nach Entnehmen aus dem Spritzgießwerkzeug. Durch den radial nach innen umgeformten Bereich mit der zweiten Öffnung 1.3 schließt sich an die zweite Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 ein zweiter Absatz 1.10 mit einem dritten Winkel α 3 an, der bevorzugt zwischen 80° und 140° liegt und an den sich ein konkaver dritter Radius r3 anschließt (zwischen 2mm und 9 mm), der in den im Wesentlichen zylindrischen Innendurchmesser d1.6 des zylindrischen Bereichs 1.6 des Hohlraums 1.1 des Gehäuses 1 übergeht. Der zweite Absatz 1.10 wirkt hier als viertes Strukturelement der Merkmalsgruppe d und verhindert bei einer Ausdrückkraft F, dass das injizierte Material 5 bricht und der Kugelzapfen 2 sich mit seiner Kugel 3 und der Lagerschale 4 löst und es zum Versagen des Kugelgelenks kommt.
-
Durch das Einsetzen des Kugelzapfens 2 mit der auf der Kugel 3 positionierten Lagerschale 4 durch die große Öffnung 1.3V (siehe 7) und das anschließende radial nach innen gerichtete Umformen ist es möglich, dass die zweite Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 nach dem radial nach innen gerichteten Umformen kleiner ist, als der Außendurchmesser der Kugel 3, so dass sowohl zwischen der ersten Öffnung 1.2 als auch zwischen der zweiten Öffnung 1.3 des Gehäuses 1 und dem nicht bezeichneten Außendurchmesser der Kugel 3 eine metallische Überdeckung b vorhanden ist die verhindert, dass sich die Kugel 3 aus dem Gehäuse 1 löst, auch wenn das injizierte Material gerissen oder anderweitig beschädigt ist.
-
Es ist weiterhin gemäß nicht dargestellter Ausführungsbeispiels auch möglich, dass das die Vorform 1V des Gehäuses 1 an ihrer Innenseite vor dem Umformen mit einer großen Rautiefe (Merkmalsgruppe a) und/oder Riefen und/oder Rillen und/oder Nuten und/oder einer Rändelung (Merkmalsgruppe c) versehen wird.
-
Neben den dargestellten und beschriebenen Ausführungsvarianten können die Strukturelemente / Merkmalsgruppen des Gehäuses beliebig miteinander kombiniert werden.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird durch die im Gehäuse vorhandenen Strukturelemente eine gute Verklammerung des beim Spritzgießen injizierten Kunststoffs mit dem Gehäuse gewährleistet, wodurch das Kugelgelenk auch höheren Temperaturen im Bereich von 80°C und ggf. teilweise darüber standhält.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gehäuse
- 1.1
- Hohlraum
- 1.1.1
- Innenwandung
- 1.2
- erste Öffnung
- 1.3
- zweite Öffnung
- 1.4
- oberer Randbereich
- 1.4.1
- Hinterschnitt des oberen Randbereichs 1.4
- 1.5
- unterer Randbereich
- 1.6
- zylindrischer Bereich
- 1.7
- erste Schulter
- 1.8
- zweite Schulter
- 1.9
- erster Absatz
- 1.10
- zweiter Absatz
- 1V
- Vorform eines Gehäuses
- 1.1.1V
- Innenwandung der Vorform
- 1.3V
- Öffnung der Vorform
- 1SV
- Schräge
- r3V
- dritter Radius
- 2
- Kugelzapfen
- 2.1
- Zapfen
- 3
- Kugel
- 3.1
- Aussparung
- 4
- Lagerschale
- 4.1
- Vorsprung
- 5
- Injiziertes Material
- 6
- Rändelung
- 7
- Einstiche
- 10
- kombiniertes Umform-/Spritzgießwerkzeug
- 11.1
- erstes Unterteil
- 11.2
- zweites Unterteil
- 12
- Abstützung
- 13
- erstes Oberteil
- 13.1
- erste Umformkontur
- 14
- zweites Oberteil
- 14.1
- zweite Umformkontur
- 14.2
- Kontur
- 15
- Zuführöffnung
- A
- Längsachse
- B
- Äquatorbereich
- d1.2
- Innendurchmesser der ersten Öffnung 1.2
- d1.3
- Innendurchmesser der zweiten Öffnung 1.3
- d1.6
- Innendurchmesser des zylindrischen Bereichs 1.6
- d17
- Innendurchmesser des Stahlrings 17
- d18
- Innendurchmesser des Rundrings 18
- D1
- Außendurchmesser des Gehäuses 1
- D1.4
- Außendurchmesser des oberen Randbereichs 1.4
- D1.4'
- Reduzierter Durchmesser des Randbereichs 1.4
- D1.5
- Außendurchmesser des unteren Randbereichs 1.5
- F
- Axialkraft
- FS
- Schwenkkraft
- r1
- erster Radius
- r2
- zweiter Radius
- α 1
- erster Winkel
- α 2
- zweiter Winkel
- α 3
- dritter Winkel
- β
- Flankenwinkel
- γ
- Winkel der Schräge 1SV
