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Die Erfindung betrifft einen Gelenkzapfen mit einer Längsrichtung, einem sich konisch verjüngenden Befestigungsanteil und einem mit dem Befestigungsanteil verbundenen Gelenkanteil, eine Befestigungsanordnung für ein Kugelgelenk mit einem solchen Gelenkzapfen sowie ein Kraftfahrzeug.
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Solche Gelenkzapfen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können insbesondere im Automobilbereich in einem Fahrwerk eingesetzt werden. Im Fahrwerk eines Automobils wird über Gelenkverbindungen sichergestellt, dass das Zusammenspiel bewegter Teile und die kinematischen Vorgaben im Fahrbetrieb erfüllt werden. Dabei wird z.B. ein Führungsgelenk über eine Kegelverbindung mit einem Schwenklager verbunden. Die Kegelverbindung besteht dabei darin, dass ein konisch zulaufender Befestigungsanteil in einem ebenfalls konisch ausgestaltete Aufnahme eingepresst wird. Bei Auswahl bestimmter Kegelverhältnisse wird über einen Selbsthemm-Effekt eine relativ feste Verbindung erreicht und somit die Verbindung gegen ein Lösen weiter abgesichert. Stoßartige Belastungen im Fahrbetrieb schließen ein Lösen aber dennoch nicht aus, so dass die Verbindung üblicherweise zusätzlich über eine Kontermutter abgesichert wird. Die Kontermutter wird dabei auf einen auf der der Öffnung der Aufnahme gegenüber liegenden Schaftanteil, der beispielsweise als Gewindebolzen ausgestaltet sein kann, aufgeschraubt, wobei der Schaftanteil aus dem Bauteil, an dem der Gelenkzapfen befestigt werden soll, aus dem Bauteil herausragt.
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Die korrekte und sichere Mutternauflage erfordert dabei einen zusätzlichen Bearbeitungsaufwand. Bauteilabhängig ist eine direkte Zugänglichkeit für Zerspanwerkzeuge nicht immer sichergestellt, so dass Sonderlösungen erforderlich sind. Eine Möglichkeit zur Bearbeitung der Mutternauflagefläche kann z.B. über Scheibenfräser, die von vorne an die Bearbeitungsposition heranfahren oder auch mittels Spezial-Werkzeugen, die durch die z.B. als Kegelbohrung ausgeführte Aufnahme von unten die Zerspanung der Mutternauflagefläche übernehmen, realisiert werden. Dies wirkt sich zeit-, kosten- und investitionsintensiv auf die mechanische Bearbeitung aus. Eine solche Anordnung mit Kontermutter ist zudem in der Höhe platzintensiv.
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Aus Sicht des Kundendienstes kann je nach Lage im Fahrwerk eine erschwerte Demontage/Montage aufgrund der Platzverhältnisse bestehen. Die freiliegende Mutter stellt zudem einen Angriffspunkt für korrosive Einflüsse dar, die langfristig den sicheren Verband bei ungünstigen Randbedingungen beeinträchtigen könnten. Aus Sicherheitsgründen muss aber eine sichere Befestigung dieser Gelenke an die bewegten Fahrwerkteile wegen der herrschenden Kräfte sichergestellt sein.
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Aus der
DE 24 49 381 A1 ist eine Radaufhängung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der das Kugelgelenk ein plattenförmiges Teil als Befestigungselement aufweist. Dieses Befestigungselement wird mittels quer zur Fügerichtung verlaufender Schrauben in einer Aufnahme festgelegt.
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In den 1 bis 2 wird am Beispiel eines Führungsgelenkes, das eine bewegliche Verbindung zwischen dem Schwenklager 108 und dem Querlenker 112 herstellt, eine solche Anbindung dargestellt, die dem aktuellen Stand der Technik entspricht und in ihrer Anordnung und Umsetzung an sich bekannt ist. Das Führungsgelenk stellt dabei fahrwerkseitig eine gelenkige Verbindung zwischen dem Schwenklager 108 und dem Querlenker 112 her. Es gleicht Winkeländerungen der genannten Teile zueinander aus, die beim Fahren z.B. durch Ein- und Ausfederbewegungen sowie durch Lenkbewegungen entstehen. Das Führungsgelenk 108 wird über eine Kegelverbindung seines Gelenkzapfens 102 fest mit dem Bauteil 112 verbunden. Dabei weist der Gelenkzapfen 102 einen konischen Befestigungsanteil 104 in Form eines Kegelschafts auf, der in eine Aufnahme 110, die in dem Bauteil 112, an dem das Führungsgelenk 108 befestigt werden soll, angebracht ist, eingepresst wird. Auf der dem Befestigungsanteil 104 gegenüber liegenden Seite weist der Gelenkzapfen 102 einen Gelenk- bzw. Kugelanteil auf, der in der 1 nicht sichtbar ist, da er von dem Gehäuse des Führungsgelenks 108 umschlossen und somit verdeckt wird.
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Der Befestigungsanteil 104 wird durch eine kraftschlüssige Verbindung in der Aufnahme 110 gehalten. Er könnte aber bei stoßartigen Belastungen aus der Aufnahme 110 rutschen, weswegen der Befestigungsanteil 104 in Form des Gewindebolzens mit einem Schaft bzw. Bolzenanteil oben aus dem Bauteil 110 herausragt und durch eine Kontermutter 114 und eine Unterlegscheibe 116 gegen ungewolltes Lösen abgesichert wird.
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In 2 ist ein Querschnitt des Gelenkzapfens 102 gemäß Stand der Technik aus 1 zu sehen. Im unteren Bereich der Figur ist hier auch der Gelenkanteil 106 des Kugelgelenks zu erkennen, da das Schwenklager in dieser Figur nicht dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass der Gelenkzapfen 104 ähnlich wie ein Korken in einem Flaschenhals in dem Bauteil 112 sitzt, dabei aber während des Fügens mit einem Gewindeanteil aus dem Bauteil 112 wieder ausgetreten ist, so dass dieser Gewindeanteil nun aus dem Bauteil 112 herausragt. Die Mutter 114 wurde nachfolgend auf den Gewindeanteil aufgeschraubt, so dass der Befestigungsanteil 104 fest in der Aufnahme 110 sitzt und diese auch bei starken Stößen oder sonstigen wirkenden Kräften nicht verlassen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gelenkzapfen der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine vereinfachte Montage möglich wird. Ebenfalls ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen Gelenkzapfen derart auszugestalten, dass die Korrosionsanfälligkeit reduziert wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Befestigungsanteil zumindest eine sich im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Gelenkzapfens erstreckende Ausnehmung aufweist, in welche ein Befestigungsmittel zur Sicherung des Gelenkzapfens eingreifen kann. Es wird so möglich, den Gelenkzapfen durch eine formschlüssige Verbindung mechanisch zu sichern, ohne dass das Bauteil, in das der Gelenkzapfen eingesetzt wird, von der gegenüber liegenden Seite her zugänglich ist. Mit anderen Worten reicht es aus, wenn die Aufnahme, in die der Gelenkzapfen eingesetzt wird, entlang der Fügerichtung und ggf. von einer Seite quer zu der Fügerichtung aus zugänglich ist. Auf diese Weise wird die Montage sowie auch die Demontage zu Wartungszwecken deutlich vereinfacht. Darüber hinaus wird die Korrosionsanfälligkeit, die gemäß Stand der Technik im Bereich der Kontermutter besteht, verringert.
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Darunter, dass sich die Ausnehmung im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung erstreckt wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere verstanden, dass ein Winkel zwischen einer Längsrichtung der Ausnehmung und einer Ebene, die senkrecht auf der Längsrichtung des Gelenkzapfens steht, weniger als 10°, bevorzugt weniger als 5°, beträgt. In einem vorteilhaften Spezialfall stehen die Längsrichtung des Gelenkzapfens und die Längsrichtung der Ausnehmung exakt senkrecht aufeinander. Der angesprochene Winkel beträgt dann 0°.
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Unter einer Ausnehmung wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere ein Hohlraum in einem ansonsten vollständig ausgefüllten Volumen verstanden. Eine Ausnehmung kann in Form eines Lochs, einer Kerbe, einer Nut, einer Mulde oder eines sonstigen Hohlraums vorliegen.
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Unter einem Befestigungsmittel wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere ein Teil oder ein Merkmal eines Bauteils verstanden, das eine formschlüssige Verbindung zwischen zwei Bauteilen ermöglicht. Insbesondere kann dies eine Schraube oder ein Bolzen, aber auch ein Vorsprung, ein Widerhaken, eine Rastnase oder dergleichen sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ausnehmung als Nut ausgestaltet. Eine solche Nut kann beispielsweise in den Befestigungsanteil eingefräst sein. Die Nut kann ein teilkreisförmiges oder halbkreisförmiges Profil aufweisen. Dabei ist das Profil vorzugsweise symmetrisch um eine Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Befestigungsanteils bzw. des Gelenkzapfens ausgestaltet. Eine solche Nut ist dann besonders geeignet, um mit einem Bolzen, einer Schraube oder einem anderen Befestigungsmittel mit einem zylindrischen Grundkörper zusammenzuwirken. Alternativ kann die Nut beispielsweise auch ein rechteckiges Profil aufweisen. Eine solche Nut kann dann mit Rastnasen oder Widerhaken zusammenwirken, welche in die Nut einschnappen oder einrasten.
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Es ist mit Vorteil möglich, dass die Nut um den Befestigungsanteil umlaufend ausgestaltet ist. Es ergibt sich dann ein im Wesentlichen oder vollständig rotationssymmetrischer Befestigungsanteil. Insbesondere kann die Mantelfläche des Befestigungsanteils rotationssymmetrisch ausgestaltet sein, wohingegen die Stirnfläche nichtrotationssymmetrische Anteile aufweisen kann. Es ergibt sich durch diese Ausgestaltung eine Vereinfachung bei der Montage, da der Gelenkzapfen in einer beliebigen Orientierung um seine Längsachse herum, die gleichzeitig im Regelfall der Fügerichtung entspricht, in eine Aufnahme eingesetzt werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die Ausnehmung als zu zwei einander gegenüber liegenden Seiten des Befestigungsanteils offener Hohlraum ausgestaltet ist. Mit anderen Worten durchdringt die Ausnehmung dann den Befestigungsanteil vollständig. Eine solche Ausnehmung kann beispielsweise eine Durchbohrung sein. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Ausnehmung nur zu einer Seite hin offen auszugestalten, beispielsweise als Sackloch. Die Ausnehmung kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Eine solche Ausnehmung ist besonders geeignet, um mit einem Bolzen oder einer Schraube zusammenzuwirken, erfordert aber eine Ausrichtung des Bauteils vor der Montage.
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Der Hohlraum bzw. die Ausnehmung kann ein Innengewinde aufweisen. Wenn es sich bei dem Hohlraum um ein Sackloch oder eine Durchgangsbohrung handelt, so kann in den Hohlraum eine Schraube eingedreht werden. Wenn der Hohlraum kein Innengewinde aufweist muss das Befestigungsmittel auf andere Weise gesichert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Bauteil, in das der Gelenkzapfen eingesetzt wird, eine passende Öffnung mit einem Innengewinde aufweist. Eine Schraube kann dann beim Montagevorgang eine erste Wand es Bauteils durchdringen, dann eine Nut oder Durchgansbohrung, die jeweils erfindungsgemäß in dem Befestigungsanteil angeordnet sind, durchqueren und dann in eine mit einem Innengewinde versehene Bohrung in einer zweiten Wand oder in einem Grundkörper des Bauteils eingreifen.
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Es ist bevorzugt, dass der konisch ausgestaltete Befestigungsanteil ein Kegelverhältnis zwischen 1:5 und 1:10 aufweist. Bei einem solchen Kegelverhältnis ergibt sich bekannter Weise durch einen Selbsthemmeffekt ein sicherer Sitz des eingepressten Kegelzapfens in der Aufnahme. Der konische Anteil der Aufnahme hat entsprechend dann vorteilhafterweise das gleiche Kegelverhältnis.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Ausnehmung entlang der Längsrichtung gesehen in einem dem Gelenkanteil gegenüber liegenden Endbereich des Befestigungsanteils angeordnet ist. Es ergibt sich so eine besonders einfache Montage bei gleichzeitiger Maximierung des Kraftschlusses zwischen dem konischen Befestigungsanteil und der Aufnahme, in welche dieser eingepresst wird. Unter einem Endbereich wird dabei insbesondere ein Bereich verstanden, der weniger als 30% einer Ausdehnung in Längsrichtung, bevorzugt weniger als 20% einer Ausdehnung in Längsrichtung, von einem Ende des entsprechenden Bauteils entfernt liegt. In diesem Fall kann als Ende des Bauteils eine Stirnseite des Befestigungsanteils angesehen werden. Diese ist an einem dem Gelenkanteil gegenüber liegenden Ende des Gelenkzapfens angeordnet.
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Es ist möglich, dass der Befestigungsanteil zwei oder mehr zueinander parallel verlaufende Ausnehmungen aufweist. Entsprechend können dann zwei oder mehr Befestigungsmittel in die Ausnehmungen eingreifen. Im Spezialfall von zwei parallel verlaufenden Ausnehmungen ergibt sich eine besonders symmetrische Kraftverteilung. Die Befestigungsmittel sichern den Kegelzapfen gegen ein Herausrutschen in Fügerichtung. Wenn die Befestigungsmittel asymmetrisch an dem Befestigungsanteil angreifen können sich Drehmomente ergeben, die zu erhöhtem Verschleiß führen können. Eine symmetrische Ausgestaltung, beispielsweise mit zwei in gleichem Abstand von einer Mittelachse des Befestigungsanteils verlaufenden Ausnehmungen und entsprechenden Befestigungsmitteln kann dies verhindern.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Befestigungsanordnung für ein Kugelgelenk, mit einem erfindungsgemäßen Gelenkzapfen der zuvor beschriebenen Art und mit einer Aufnahme für den Befestigungsanteil des Gelenkzapfens, wobei die Aufnahme zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist, die im gefügten Zustand kongruent mit der Ausnehmung in dem Befestigungsanteil angeordnet ist. Mit anderen Worten überlappen die Durchgangsöffnung und die Ausnehmung dann derart, dass das Befestigungsmittel gleichzeitig die Durchgangsöffnung durchquert und in die Ausnehmung eingreift. Es ist möglich, dass in einer Flucht durch die Durchgangsöffnung gesehen hinter der Aufnahme eine weitere Öffnung bzw. ein weiterer Hohlraum angeordnet ist, in den dann das Befestigungsmittel nach dem Durchqueren der Aufnahme eingreifen kann. Der weitere Hohlraum kann ein Innengewinde aufweisen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Gelenkzapfen oder einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 3: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gelenkzapfens in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
- 4: das erste Ausführungsbeispiel in einem vollständig montierten Zustand,
- 5: einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 4, und
- 6: einen Schnitt entlang der Linie B-B aus 5.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gelenkzapfens 2 in einer schematischen perspektivischen Ansicht. Der Gelenkzapfen 2 ist dabei bereits in das Führungsgelenk 8 eingesetzt worden und ist nun unterhalb der Aufnahme 10 positioniert, in die er entlang seiner Längsachse M eingeführt werden kann. Die Aufnahme 10 ist dabei in dem Bauteil 20 angeordnet, das beispielsweise ein Querlenker eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs sein kann.
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Der Gelenkzapfen 2 weist einen konischen Befestigungsanteil 4 auf, welcher wiederum eine umlaufende Nut 12 aufweist. Die Nut 12 ist in einem Randbereich des Befestigungsanteils 4 angeordnet. Sie weist ein teilkreisförmiges, in etwa halbkreisförmiges Profil auf. Die Nut ist in der Nähe der Stirnseite 14 des Befestigungsanteils 4 angeordnet.
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Das Bauteil 20 weist wie bereits beschrieben eine in der Figur von unten nach oben in Richtung der Längsachse M verlaufende Aufnahme 10 für den Befestigungsanteil 4 auf. Die Aufnahme 10 ist dabei als zu dem Befestigungsanteil 4 korrespondierend ausgeformter Hohlraum ausgestaltet. Quer dazu verlaufen zwei Löcher 16 durch das Bauteil 10, welche die beiden Schrauben 18 aufnehmen können. Die beiden Löcher 16 sind zumindest in ihrem hinteren Teil mit Innengewinden versehen, so dass die Schrauben 18 in die Löcher 16 eingedreht werden können. Der von der Aufnahme 10 dargestellte Hohlraum überschneidet sich mit den zylinderförmigen Löchern 16, so dass die Löcher 16 in einen vorderen Anteil und einen hinteren Anteil aufgeteilt werden, die jeweils auf einander gegenüber liegenden Seiten der Aufnahme 10 angeordnet sind, und die durch einen mittleren Anteil, der sich mit der Aufnahme 10 überschneidet, verbunden werden. Somit dringt der Befestigungsanteil 4 auch teilweise in die Löcher 16 ein, wenn er in die Aufnahme 10 eingepresst wird. Die Löcher 16 können als Sacklöcher ausgeführt sein. Die Nut 12 ist dabei derart ausgestaltet und angeordnet, dass sie auf Höhe der Löcher 16 liegt, wenn der Befestigungsanteil 4 die gewünschte Position erreicht hat. Wenn nun die Schrauben 18 in die Löcher 16 eingeführt werden, greifen die Schrauben 18 gleichzeitig auf bzgl. der Längsachse M einander gegenüber liegenden Seiten in die Nut 12 ein, so dass der Befestigungsanteil 4 und somit der gesamte Gelenkzapfen 2 gegen Bewegungen in Richtung der Längsachse M gesichert ist. Es ergibt sich eine formschlüssige Verbindung.
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4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 3 in einem vollständig montierten Zustand. Es ist zu erkennen, dass der Gelenkzapfen 2 in die Aufnahme 10 des Bauteils 20 eingepasst wurde. Das Führungsgelenk 8 befindet sich somit in seiner Arbeitsposition. Es verdeckt wie auch in 3 den kugelförmigen Gelenkanteil des Gelenkzapfens 2. Die Schrauben 18 sind in die Löcher 16 eingedreht worden, so dass der Gelenkzapfen in axialer Richtung gegen ein Verrutschen oder Herausfallen gesichert ist.
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5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V aus 4. Es ist zu erkennen, dass die Aufnahme 10 der konischen Form des Befestigungsanteils 4 des Gelenkzapfens 2 folgt, so dass sich ein großflächiger Kontakt zwischen den beiden Bauteilen ergibt. Die Schraube 18 überdeckt in der Figur einen Teil des Befestigungsanteils 4, da sie in dessen Nut eingreift. Das Loch 16 ist als Sackloch ausgestaltet. Es hat einen Anteil, der in der dargestellten Situation in der senkrecht zur Längsachse des Gelenkzapfens 2 ausgerichteten Bewegungsrichtung der Schraube 18 beim Eindrehen gesehen vor dem Befestigungsanteil 4 liegt, und einen Anteil, der hinter dem Befestigungsanteil 4 liegt. Insbesondere der hinter dem Befestigungsanteil liegende Anteil des Lochs 16 kann zweckmäßigerweise ein Innengewinde aufweisen.
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6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus 5. Der Befestigungsanteil 4 wird ungeschnitten dargestellt, so dass zu erkennen ist, dass in dieser Perspektive auf der dem Gelenkanteil abgewandten Seite der Nut die Schrauben 18 teilweise von dem Befestigungsanteil 4 überdeckt werden. Die Stirnseite 14 des Befestigungsanteils 4 ist daher in der Figur sichtbar. Es wird auf diese Weise eine Axialsicherung des Gelenkzapfens 2 durch die Überdeckung der Schraubenschäfte der Schrauben 18 mit der Nut erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gelenkzapfen
- 4
- Befestigungsanteil
- 6
- Gelenkanteil
- 8
- Führungsgelenk
- 10
- Aufnahme
- 12
- Nut
- 14
- Stirnseite
- 16
- Loch
- 18
- Schraube
- 20
- Bauteil
- 102
- Gelenkzapfen
- 104
- Befestigungsanteil
- 106
- Gelenkanteil
- 108
- Führungsgelenk
- 110
- Aufnahme
- 112
- Bauteil
- 114
- Kontermutter
- 116
- Unterlegscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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