DE102023200670A1

DE102023200670A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks

Info

Publication number: DE102023200670A1
Application number: DE102023200670.7A
Authority: DE
Inventors: Eike Christian Sonsalla; Jürgen Gräber
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-01-27
Filing date: 2023-01-27
Publication date: 2024-08-01

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks (1), wobei ein eine Gelenkkugel (4) umfassender Kugelzapfen (5) bereitgestellt wird, dessen Gelenkkugel (4) mit einem plastifizierten Kunststoff umgeben wird, der anschließend erstarrt und im erstarrten Zustand eine die Gelenkkugel (4) umschließende Lagerschale (6) mit einer Zapfenöffnung (10) und mit einer der Gelenkkugel (4) zugewandten Lagerfläche (12) bildet, an welcher die Gelenkkugel (4) des Kugelzapfens (5) gleitfähig anliegt, der sich in einer axialen Richtung (x) durch die Zapfenöffnung (10) hindurch aus der Lagerschale (6) heraus erstreckt, wobei- während des Umgebens der Gelenkkugel (4) mit dem plastifizierten Kunststoff an ein oder mehreren Verdickungsstellen (16) eine Dicke des die Gelenkkugel (4) umgebenden, plastifizierten Kunststoffs lokal erhöht wird, und- während des Erstarrens eine Schwindung des Kunststoffs einsetzt, durch welche im Bereich jeder Verdickungsstelle (16) in der Lagerfläche (12) eine Schwindungskavität (13) ausgebildet wird, die mit einem Schmierstoff (17) gefüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks, wobei ein eine Gelenkkugel umfassender Kugelzapfen bereitgestellt wird, dessen Gelenkkugel mit einem plastifizierten Kunststoff umgeben wird, der anschließend erstarrt und im erstarrten Zustand eine die Gelenkkugel umschließende Lagerschale mit einer Zapfenöffnung und mit einer der Gelenkkugel zugewandten, insbesondere kugelförmigen, Lagerfläche bildet, an welcher die Gelenkkugel des Kugelzapfens gleitfähig anliegt, der sich in einer axialen Richtung durch die Zapfenöffnung hindurch aus der Lagerschale heraus erstreckt.
Die Herstellung von Kugelgelenken in Ausführung als Gleitlager mit einem Kugelabschnitt in der Spritzgusstechnologie ist bekannt. Ausführungsformen gibt es in umschlingenden Metallgehäusen mit separater Lagerschale und ohne separate Lagerschale. Letztere ist hinsichtlich ihrer Befettung als Ausführung mit nachträglicher Befettung, d.h. nach dem Montagespritzguss einzuordnen, da eine vorherige Befettung prozesstechnisch nicht möglich ist. Die Qualität einer nachträglichen Befettung ist stark von dem verwendeten Verfahren, Bauteilqualitäten, Medien, etc. abhängig.
Die Ausführung als Kugelgelenk mit einem Gelenkgehäuse aus Kunststoff für geringere Lastanforderungen mit einer äußeren Strukturierung am Gelenkkopf ist aus Belastungs-, Materialeinsparungs- und Spritzgussprozessgründen bereits in Serie. Die Ausführung mit einem Metallgehäuse, in welches der Kugelzapfen eingelegt und umspritzt wird, ist ebenfalls serientauglich.
Zur Gelenkausführung ohne separate Lagerschale mit nachträglicher Befettung ist ein erhöhter Aufwand zu bestreiten, der sicherstellt, dass Fett in ausreichender Menge und Verteilung im Gelenk ankommt. Eingebrachte Schmiernuten die als Fetttransportwege und Fettreservoirs dienen sind in diesem Verfahren zunächst nicht möglich, da die Form des Kunststoffes sich aus den formgebenden Elementen Gehäuse und Kugelzapfen ergibt, wobei die Kugel zur Vermeidung von Formschluss die formgebenden Elemente für solche Nuten nicht enthalten darf.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Befettung einer durch Urformen direkt an der Gelenkkugel ausgebildeten Lagerschale zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks, wobei ein eine Gelenkkugel umfassender Kugelzapfen bereitgestellt wird, dessen Gelenkkugel mit einem plastifizierten Kunststoff umgeben wird, der anschließend erstarrt und im erstarrten Zustand eine die Gelenkkugel umschließende Lagerschale mit einer Zapfenöffnung und mit einer der Gelenkkugel zugewandten, insbesondere kugelförmigen, Lagerfläche bildet, an welcher die Gelenkkugel des Kugelzapfens gleitfähig anliegt, der sich in einer axialen Richtung durch die Zapfenöffnung hindurch aus der Lagerschale heraus erstreckt, wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch weitergebildet, dass - während des Umgebens der Gelenkkugel mit dem plastifizierten Kunststoff an ein oder mehreren Verdickungsstellen eine, vorzugsweise radiale, Dicke des die Gelenkkugel umgebenden, plastifizierten Kunststoffs lokal erhöht wird, und - während des Erstarrens eine Schwindung des Kunststoffs einsetzt, durch welche im Bereich jeder Verdickungsstelle in der Lagerfläche eine, insbesondere lokale, Schwindungskavität ausgebildet wird, die, vorzugsweise dann, insbesondere anschließend oder während ihrer Ausbildung, mit einem Schmierstoff gefüllt wird.
Das Schwindungsverhalten des Kunststoffs ist dickenabhängig, was erfindungsgemäß zur Ausbildung der Schwindungskavität(en) ausgenutzt wird. Somit ist es auch bei einer unprofilierten, glatten Oberfläche der Gelenkkugel möglich, lokale Schwindungskavitäten in der Lagerfläche auszubilden.
Bevorzugt wird an der oder an jeder Verdickungsstelle die Dicke des die Gelenkkugel umgebenden, insbesondere plastifizierten, Kunststoffs um ein Mehrfaches der Tiefe der oder der jeweiligen, insbesondere auszubildenden, Schwindungskavität erhöht.
Somit kann z.B. berücksichtigt werden, wenn materialbedingt die Dickenabhängigkeit des Schwindungseffekts lediglich gering ausfällt.
Dem Kugelgelenk ist bevorzugt eine in axialer Richtung verlaufende Längsachse zugeordnet, die vorzugsweise durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel verläuft. Eine um die Längsachse und/oder um den Kugelzapfen herum verlaufende Richtung wird insbesondere als Umfangsrichtung bezeichnet. Ferner wird eine oder jedwede quer zur axialen Richtung und/oder quer zur Längsachse verlaufende Richtung insbesondere als radiale Richtung bezeichnet.
Der Kunststoff ist insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff. Bevorzugt erstarrt der, insbesondere plastifizierte, Kunststoff, vorzugsweise nachdem die Gelenkkugel mit ihm umgeben worden ist, durch Abkühlen und/oder dadurch, dass er abkühlt. Der plastifizierte Kunststoff ist insbesondere ein schmelzflüssiger Kunststoff. Die Lagerschale ist oder bildet bevorzugt eine Kugelschale.
Das Umgeben der Gelenkkugel mit dem plastifizierten Kunststoff erfolgt bevorzugt durch Gießen. Insbesondere erfolgt das Umgeben der Gelenkkugel mit dem plastifizierten Kunststoff durch Spritzgießen.
Die oder jede mit Schmierstoff gefüllte Schwindungskavität bildet insbesondere ein Schmierstoffreservoir und/oder eine Schmierstoffleitung. Bevorzugt wird der Schmierstoff zwischen der Lagerschale und der Gelenkkugel vorgesehen, beispielsweise dadurch, dass die oder jede Schwindungskavität mit dem Schmierstoff gefüllt wird.
Dem Kugelzapfen ist bevorzugt eine Zapfenachse zugeordnet, die vorzugsweise durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel verläuft. Vorteilhaft fällt die Zapfenachse, insbesondere in einem nicht ausgelenkten Zustand des Kugelzapfens, mit der Längsachse zusammen. In einem ausgelenkten Zustand des Kugelzapfens ist die Zapfenachse z.B. gegenüber der Längsachse geneigt. Bevorzugt bildet der Kugelzapfen, insbesondere bezüglich der Zapfenachse, einen rotationssymmetrischen Körper. Der Kugelzapfen besteht vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus einem Eisenwerkstoff, wie z.B. Stahl. Vorteilhaft wird der Kugelzapfen, insbesondere vor seiner Bereitstellung, hergestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet die oder jede Verdickungsstelle eine Erhebung, die insbesondere auf einer der Gelenkkugel abgewandten Seite des die Gelenkkugel umgebenden, beispielsweise plastifizierten und/oder erstarrten, Kunststoffs vorgesehen ist. Vorzugsweise entspricht die Höhe der oder jeder Erhebung und/oder die Dicke jeder Verdickungsstelle einem Mehrfachen der Tiefe der oder der jeweiligen, insbesondere auszubildenden, Schwindungskavität.
Bevorzugt verläuft die oder wenigstens eine oder verlaufen mehrere oder alle der Erhebungen und/oder Verdickungsstellen, vorzugsweise jeweils, in der oder einer Umfangsrichtung und/oder um die Längsachse herum. Die oder jede in Umfangsrichtung und/oder um die Längsachse herum verlaufende Erhebung und/oder Verdickungsstelle ist beispielsweise durchgehend. Alternativ ist die oder jede in Umfangsrichtung und/oder um die Längsachse herum verlaufende Erhebung und/oder Verdickungsstelle z.B. segmentiert. Insbesondere ist die oder jede in Umfangsrichtung und/oder um die Längsachse herum verlaufende Erhebung und/oder Verdickungsstelle ringförmig und/oder kreisförmig.
Ergänzend oder alternativ verläuft z. B. die oder wenigstens eine oder wenigstens eine andere oder verlaufen z.B. mehrere oder mehrere andere oder alle der Erhebungen und/oder Verdickungsstellen, vorzugsweise jeweils, insbesondere im Wesentlichen, in axialer Richtung. Beispielsweise sind die in axialer Richtung verlaufenden Erhebungen und/oder Verdickungsstellen in Umfangsrichtung und/oder rings der Längsachse im Abstand zueinander, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet.
Bevorzugt bildet die oder wenigstens eine oder bilden mehrere oder alle der Schwindungskavitäten, vorzugsweise jeweils, eine in der oder einer Umfangsrichtung und/oder um die Längsachse herum verlaufende Umfangsnut. Die oder jede eine Umfangsnut bildende Schwindungskavität ist beispielsweise durchgehend. Alternativ ist die oder jede eine Umfangsnut bildende Schwindungskavität z.B. segmentiert.
Insbesondere bildet die oder jede eine Umfangsnut bildende Schwindungskavität eine Ringnut.
Ergänzend oder alternativ bildet z.B. die oder wenigstens eine oder wenigstens eine andere oder bilden z.B. mehrere oder mehrere andere oder alle der Schwindungskavitäten, vorzugsweise jeweils, eine, insbesondere im Wesentlichen, in axialer Richtung verlaufende Längsnut. Beispielsweise sind diese in axialer Richtung verlaufenden Längsnuten und/oder die in axialer Richtung verlaufende Längsnuten bildenden Schwindungskavitäten in Umfangsrichtung und/oder rings der Längsachse im Abstand zueinander, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet.
Bevorzugt wird der Kugelzapfen, insbesondere zumindest mit seiner Gelenkkugel, in eine Gussform eingebracht und anschließend mit dem plastifizierten Kunststoff umgeben, insbesondere umgossen oder umspritzt. Die Gussform ist z.B. eine Spritzgussform.
Vorzugsweise weist die Gussform eine der Gelenkkugel zugewandte Gussforminnenwand auf. Vorteilhaft sind in der Gussforminnenwand ein oder mehrere Aussparungen vorgesehen. Bevorzugt wird, insbesondere dadurch, während des Umgebens der Gelenkkugel mit dem plastifizierten Kunststoff an und/oder in der oder jeder Aussparung die oder eine der Verdickungsstellen und/oder Erhebungen ausgebildet. Vorzugsweise dringt oder greift in die oder in jede Aussparung die oder eine der Erhebungen und/oder Verdickungsstelle ein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein, insbesondere einen Innenraum umschließendes, Gehäuse bereitgestellt. Vorteilhaft wird der Kugelzapfen mit oder zumindest mit seiner Gelenkkugel in den Innenraum des Gehäuses eingebracht, sodass zwischen dem Gehäuse und der Gelenkkugel ein Freiraum verbleibt. Vorteilhaft wird der Freiraum mit dem plastifizierten Kunststoff verfüllt. Insbesondere wird die Gelenkkugel mit dem plastifizierten Kunststoff umgeben, indem der Freiraum mit dem plastifizierten Kunststoff verfüllt wird.
Das Gehäuse besteht bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall. Beispielsweise besteht das Gehäuse aus einem Eisenwerkstoff, wie z.B. Stahl. Vorteilhaft besteht das Gehäuse aus Blech. Beispielsweise ist das Gehäuse ringförmig. Das Gehäuse kann z.B. auch als Gelenkgehäuse bezeichnet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse eine den Innenraum begrenzende Innenwandung auf. Vorzugsweise sind in der Innenwandung ein oder mehrere Ausnehmungen vorgesehen. Vorteilhaft wird, insbesondere dadurch, während des Verfüllens des Freiraums mit dem plastifizierten Kunststoff an und/oder in der oder jeder Ausnehmung die oder eine der Verdickungsstellen und/oder Erhebungen ausgebildet. Bevorzugt dringt oder greift in die oder in jede Ausnehmung die oder eine der Erhebungen und/oder Verdickungsstellen ein. Dadurch wird insbesondere eine Verdrehsicherung der Lagerschale in dem Gehäuse geschaffen.
In einem Gehäuse aus Blech oder bei einem aus einem Ringabschnitt aus Blech gebildeten Gehäuse können gezielte Wandstärkenänderungen auf einfache Weise mittels einer Profilierung hergestellt werden. Eine oder mehrere Ausnehmungen, insbesondere eine Nut und/oder Sicke, kann hierdurch in der Innenwandung des Gehäuses erzeugt werden oder hergestellt sein.
Gehäuse in Gestalt eines Rings oder Rohrabschnittes können z.B. durch Lasertechnik, Zerspanungstechnik oder andere geeignete Verfahren hergestellten Ausnehmungen, insbesondere ausgeschnittene Konturen, aufweisen. Vorzugsweise ist mindestens eine Ausnehmung als ein Durchbruch und/oder eine Durchgangsöffnung ausgebildet. Vorzugsweise ist die als Durchbruch ausgebildete Ausnehmung während des Verfüllens des Freiraums mit dem plastifizierten Kunststoff im Bereich einer Außenseite des Gehäuses abgedeckt und/oder verschlossen, um ein Austreten von plastifiziertem Kunststoff zu vermeiden. Insbesondere kann sich die Ausnehmung oder können sich die mehreren Ausnehmungen des Gehäuses bei einer radialen Ausrichtung bis zum Außendurchmesser und/oder bei einer axialen Ausrichtung bis auf Stirnflächen des Gehäuses erstrecken. Bei sich bis auf Stirnflächen des Gehäuses axial erstreckenden Ausnehmungen ist von Vorteil, dass diese auf einfache und/oder kostengünstige Weise herstellbar sind. Zudem vereinfachen derartig ausgebildete Ausnehmungen und die sich daraus ergebenden Schwindungskavitäten ein Einbringen eines Schmiermittels.
Das Verfüllen des Freiraums mit dem plastifizierten Kunststoff erfolgt bevorzugt durch Gießen. Insbesondere erfolgt das Verfüllen des Freiraums mit dem plastifizierten Kunststoff durch Spritzgießen. Insbesondere wird oder werden aufgrund einer im Bereich der Verdickungsstelle oder Verdickungsstellen erhöhten Schwindung beim Erstarren des Kunststoffs die Schwindungskavität oder Schwindungskavitäten ausgebildet.
Das Gehäuse bildet z.B. die Gussform oder einen Teil der Gussform. Die Innenwandung des Gehäuses bildet z.B. die Gussforminnenwand oder einen Teil der Gussforminnenwand. Beispielsweise bildet die oder jede Ausnehmung die oder eine der Aussparungen oder einen Teil der oder einer der Aussparungen. Ergänzend oder alternativ wird der Kugelzapfen z.B. zusammen mit dem Gehäuse in die Gussform eingebracht.
Vorzugsweise weist die oder zumindest eine der Aussparungen und/oder Ausnehmungen eine Zuführöffnung auf, durch welche hindurch der plastifizierte Kunststoff in den Freiraum eingebracht wird. Diese Aussparung und/oder Ausnehmung weist dann z.B. einen Anspritzpunkt auf.
Vorzugsweise ist eine Zuführöffnung, durch welche hindurch der plastifizierte Kunststoff in den Freiraum eingebracht wird, außerhalb der einen oder mehreren Ausnehmungen ausgebildet. Insbesondere weist keine Ausnehmung eine Zuführöffnung auf. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zuführöffnung, insbesondere ein Anspritzpunkt und/oder ein Anguss, zum Ausbilden der Lagerschale an einer zu der Ausnehmung oder den mehreren Ausnehmungen möglichst weit entfernten Stelle angeordnet. Hierdurch wird die Ausbildung der Schwindungskavität für den Schmierstoff begünstigt. Hierbei widerspricht die Anordnung der Zuführöffnung, vorzugsweise des Anspritzpunktes bzw. des Anguss, möglichst weit von den Ausnehmungen entfernt der üblichen Praxis, wonach eine solche Zuführöffnung möglichst dort ausgebildet wird, wo die stärkste Materialdicke der Lagerschale ausgebildet werden soll.
Vorzugsweise wird für eine hinreichende Ausfüllung der Ausnehmung oder der mehreren Ausnehmungen mit dem Kunststoff beim Einführen des plastifizierten Kunststoffs ein Nachdruck und/oder eine Temperatur und/oder eine Temperaturdifferenz, insbesondere im Werkzeug, auf geeignete Weise angepasst und/oder geregelt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuse eine Gelenköffnung auf. Vorzugsweise erstreckt sich der Kugelzapfen in axialer Richtung durch die Gelenköffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus. Vorteilhaft wird der Kugelzapfen derart in den Innenraum des Gehäuses eingebracht, dass er sich in axialer Richtung durch die Gelenköffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstreckt.
Bevorzugt wird die Zapfenöffnung und/oder die Gelenköffnung durch einen Dichtungsbalg abgedeckt, durch welchen sich insbesondere der Kugelzapfen hindurch erstreckt. Vorzugsweise wird der Schmierstoff, insbesondere zunächst, in den Dichtungsbalg eingebracht. Beispielsweise ist die oder jede eine Längsnut bildende Schwindungskavität oder wenigstens eine der eine Längsnut bildenden Schwindungskavitäten zur Zapfenöffnung und/oder zur Gelenköffnung hin offen.
Bevorzugt weist das Gehäuse eine Montageöffnung auf. Vorzugsweise wird durch die Montageöffnung hindurch der Kugelzapfen in das Gehäuse und/oder in den Innenraum des Gehäuses eingebracht. Vorteilhaft liegt die Montageöffnung der Gelenköffnung in axialer Richtung gegenüber. Insbesondere ist die Montageöffnung in einem Boden des Gehäuses vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Montageöffnung die oder eine der Ausnehmungen. Vorzugsweise weist die Montageöffnung die oder eine Zuführöffnung auf, durch welche hindurch der plastifizierte Kunststoff in den Freiraum eingebracht wird. Die Montageöffnung bildet dann z.B. den oder einen Anspritzpunkt.
Bevorzugt bildet die oder wenigstens eine oder bilden mehrere oder alle der Ausnehmungen, vorzugsweise jeweils, eine in Umfangsrichtung und/oder um die Längsachse herum verlaufende Umfangsnut. Die oder jede eine Umfangsnut bildende Ausnehmung ist beispielsweise durchgehend. Alternativ ist die oder jede eine Umfangsnut bildende Ausnehmung z.B. segmentiert. Insbesondere bildet die oder jede eine Umfangsnut bildende Ausnehmung eine Ringnut.
Ergänzend oder alternativ bildet z.B. die oder wenigstens eine oder wenigstens eine andere oder bilden z.B. mehrere oder mehrere andere oder alle der Ausnehmungen, vorzugsweise jeweils, eine in axialer Richtung verlaufende Längsnut. Beispielsweise sind diese in axialer Richtung verlaufenden Längsnuten und/oder die in axialer Richtung verlaufende Längsnuten bildenden Ausnehmungen in Umfangsrichtung und/oder rings der Längsachse im Abstand zueinander, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen sich radial und/oder axial erstreckenden Ausnehmungen können Ausnehmungen des Gehäuses, insbesondere in der Innenwandung des Gehäuses, als lokal begrenzte Vertiefungen und/oder Dellen ausgebildet sein. Beispielsweise sind die Ausnehmungen facettenartig und/oder golfballstrukturartig ausgebildet und/oder an der Innenwandung verteilt ausgebildet.
Mindestens ein oder mehrere Ausnehmungen können sich quer zu einer axialen oder radialen Ausrichtung erstrecken. Insbesondere kann ein oder können mehrere Ausnehmungen quer oder diagonal zu einer axialen Achse des Kugelgelenks und/oder des Gehäuses ausgerichtet sein. Ausnehmungen können sich schneiden und/oder jeweils diagonal verlaufend schneiden. Vorzugsweise verläuft mindestens eine Ausnehmung oder verlaufen mehrere Ausnehmungen zickzackartig.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung wird die oder jede Schwindungskavität nach dem Erstarren und/oder der Schwindung des Kunststoffs mit dem Schmierstoff gefüllt. Ergänzend oder alternativ wird beispielsweise, insbesondere während des Erstarrens und/oder der Schwindung des Kunststoffs, der Kugelzapfen zusammen mit dem, insbesondere erstarrenden und/oder während der Schwindung schrumpfenden, Kunststoff in einem Schmierstoffbad gelagert, aus welchem der Schmierstoff, vorzugsweise während der Schwindung, insbesondere automatisch, in die oder in jede Schwindungskavität eingezogen wird. Somit ist es z.B. möglich, dass die oder jede Schwindungskavität während des Erstarrens und/oder der Schwindung des Kunststoffs mit dem Schmierstoff gefüllt wird.
Insbesondere wird eine intrinsische Eigenschaft von Kunststoffen, nämlich die beim Abkühlen und/oder Erstarren auftretende Schwindung, beispielsweise nach dem Spritzgießen, gezielt zur Erzeugung von flachen Schwindungskavitäten und/oder Strukturen, wie z.B. Fettnuten oder Fettleitelementen, genutzt. Diese Eigenschaft ergibt, dass dickwandigere Querschnittsbereiche an der Oberfläche Einfallstellen erzeugen, die in der Regel ungewollt sind und daher in der Praxis durch Vorhaltungen im Werkzeug korrigiert werden, damit sie verschwinden. Beim Umspritzen der Gelenkkugel mit einem thermoplastischen Kunststoff, der dann die Kugelschalen bildet, besteht der Wunsch, flache Schmiernuten einzubringen, in denen sich Schmierstoff und ggf. auch Abrieb ansammeln kann. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass eine Kugel mit plastifiziertem Kunststoff umgeben wird, der an jeder Stelle, wo eine Schwindungskavität, wie z.B. eine Schmiernut oder Schmiertasche, gewünscht ist, nach außen hin um ein Vielfaches der gewünschten Tiefe der Schwindungskavität aufgedickt wird. Wenn z.B. die Dicke oder Wandstärke des die Kugel umgebenden Kunststoffs von 2mm auf 3mm angehoben wird, ist eine Tiefe der Schwindungskavität durch den Schwindungseffekt von ca. 0,5% der Dickendifferenz, also in der Größenordnung von 0,05mm, zu erwarten. Diese Tiefe der Schwindungskavität bildet sich in etwa gleichen Teilen auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des die Gelenkkugel umgebenden Kunststoffs aus. Dabei ist die innere Schwindungskavität genau das, was gewünscht ist. Insbesondere werden somit auf der Außenseite des die Gelenkkugel umgebenden Kunststoffs entsprechende Aufdickungen vorgehalten, welche die Verdickungsstellen bilden.
Um die Schwindungseigenschaften des Kunststoffes zu nutzen, werden im Gelenkdesign bevorzugt definierte Bereiche geschaffen, in denen sich der Querschnitt der Lagerschale lokal vergrößert. Diese Bereiche zeigen später eine Schwindung des Materials. Ein Anteil der Gesamtschwindung findet sich dann im Bereich der der Gelenkkugel zugewandten Lagerfläche zur Erzielung o.g. Eigenschaften. Die entstehenden Bereiche helfen, die Lagerfläche an definierter Stelle zu strukturieren. Zweckmä-ßig kann es zum Beispiel sein, im Boden des Gelenkgehäuses oder Gelenkboden, welcher in einer Ausführung als Anspritzpunkt ausgeführt sein kann, eine Aufdickung oder Querschnittsverdickung vorzusehen, welche an der freien Polseite der Gelenkkugel durch Schwindung eine Schwindungskavität ausbildet, die z.B. als Schmierstoffreservoir nutzbar ist. Ferner ist es z.B. möglich, in axialer Richtung, d.h. insbesondere vom Ort der Fetteinbringung im Bereich der Gelenköffnung bis zum Bereich der freien Polfläche, eine Schwindungskavität durch eine gezielte Beeinflussung des Schwindungsverhalten für den Fetttransport herzustellen. Die geeignete Form und Position der Schwindungskavitäten ist von der Hauptbelastungsrichtung und/oder von der Art der Beanspruchung des Kugelgelenks abhängig. Die Ausnehmungen innerhalb des Gehäuses können z.B. radial umlaufend, radial segmentiert, axial segmentiert oder als Kombination dieser Ausgestaltungen realisiert werden. Bisherige Gelenkdesigns nutzen das Schwindungsverhalten von Kunststoff zur Ausbildung von Schwindungskavitäten als Schmierstoffreservoir bislang nicht. Das Gelenkgehäuse kann z.B. als metallischer Ringabschnitt den Kugelzapfen teilweise umschließen und im Inneren, wie erläutert, strukturiert sein. Beispielhafte Ausführungen sind Kaltfließpressteile oder Ausführungen aus Blech. Vorzugsweise zum Einpressen und/oder Anschweißen in andere Fahrwerksbaugruppen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung können die Verdickungsstellen und/oder Querschnittssprünge auch als Verdrehsicherung dienen. Axiale und radiale Ausnehmungen können für sich, parallel und kombiniert ausgeführt werden. Die Dickenunterschiede und/oder Querschnittsunterschiede an den Verdickungsstellen, die zu einem unterschiedlichen Schrumpfungsverhalten führen, werden insbesondere gehäuseseitig eingestellt. Zu berücksichtigen ist dabei insbesondere auch das Volumen des Freiraums, in den der schmelzflüssige Kunststoff eingebracht wird und erstarrt. Daher kann es ggf. auch zweckmäßig sein, das Gelenkgehäuse aus mehreren Gehäuseteilen zu einem Gelenkgehäuse zusammenzusetzen, beispielsweise mit einem strukturgebenden Innenteil innerhalb eines Gehäuseaußenrings.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die eine Ausnehmung oder wenigstens eine der mehreren Ausnehmungen als Hinterschnitt zum Realisieren einer Verdrehsicherung zwischen der Lagerschale und dem Gehäuse ausgebildet. Aufgrund der Verdrehsicherung ist eine unerwünschte Rotation der Lagerschale in Bezug zum Gehäuse vermieden bzw. blockiert. Insbesondere verklemmt und/oder verspannt sich der beim Erstarren schwindende Kunststoff aufgrund der hinterschnittigen Ausbildung der einen oder mehreren Ausnehmungen. Die jeweilige Ausnehmung kann derart hinterschnittig ausgebildet sein, so dass sich der radial zu einer Längsachse nach innen schwindende Kunststoff radial nach innen gerichtet verklemmt bzw. verspannt. Vorzugsweise ist der Hinterschnitt mittels eines C-förmigen oder schwalbenschwanzförmigen Querschnitts der einen oder mehreren Ausnehmungen realisiert. Insbesondere ist über eine Öffnungsbreite der hinterschnittigen Ausnehmung zugleich eine Tiefe der Schwindungskavität einstellbar.
Das Kugelgelenk ist oder wird insbesondere mit einem Fahrwerkbauteil eines Fahrzeugs verbunden, welches vorzugsweise ein Kraftfahrzeug ist. Beispielsweise ist oder wird das Kugelgelenk mit einem Fahrwerklenker verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Kugelgelenks gemäß einer Ausführungsform,
2 eine teilweise Schnittansicht einer ersten Variante des Kugelgelenks entlang der aus 1 ersichtlichen Längsachse,
3 eine teilweise Schnittansicht einer zweiten Variante des Kugelgelenks entlang der aus 1 ersichtlichen Längsachse,
4 eine teilweise Schnittansicht einer dritten Variante des Kugelgelenks entlang der aus 1 ersichtlichen Längsachse, und
5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses für eine vierte Variante des Kugelgelenks,
6a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses für eine fünfte Variante des Kugelgelenks,
6b eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß 6a,
7a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses für eine weitere Variante des Kugelgelenks, und
7b eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß 7a.

Aus den 1 und 2 sind unterschiedliche Darstellungen eines Kugelgelenks 1 ersichtlich, welches ein mit einer Gelenköffnung 2 versehenes Gehäuse 3 und einen eine Gelenkkugel 4 aufweisenden Kugelzapfen 5 aufweist, der mit seiner Gelenkkugel 4 unter Zwischenschaltung einer Lagerschale 6 in einem Innenraum 7 des Gehäuses 3 beweglich gelagert ist und sich durch die Gelenköffnung 2 hindurch aus dem Gehäuse 3 heraus erstreckt. Die Gelenköffnung 2 ist durch einen Dichtungsbalg 8 verschlossen, durch welchen sich der Kugelzapfen 5 hindurch erstreckt. Ferner ist das Gehäuse 3 an einem Bauteil 9 befestigt, welches hier beispielsweise durch ein Fahrwerkbauteil, wie z.B. durch einen Lenkerarm gebildet ist.
Dem Kugelgelenk 1 ist eine in einer axialen Richtung x verlaufende Längsachse L zugeordnet, die durch einen Mittelpunkt M der Gelenkkugel 4 verläuft. Die Längsachse L fällt hier insbesondere mit einer Zapfenachse zusammen, bezüglich welcher der Kugelzapfen 5 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und die ebenfalls durch den Mittelpunkt M der Gelenkkugel 4 verläuft. Ferner ist eine um die Längsachse L herum verlaufende Umfangsrichtung u dargestellt.
Der Kugelzapfen 5 sitzt mit seiner Gelenkkugel 4 in der Lagerschale 6 und erstreckt sich aus dieser durch eine Zapfenöffnung 10 hindurch heraus. Ferner weist das Gehäuse 3 eine der Gelenköffnung 2 in axialer Richtung x gegenüberliegende Montageöffnung 11 auf, durch welche hindurch der Kugelzapfen 5 in das Gehäuse 3 eingebracht worden ist. Dabei wird während der Herstellung des Kugelgelenks 1 der Kugelzapfen 5 mit seiner Gelenkkugel 4 derart in den Innenraum 7 des Gehäuses 3 eingebracht, dass zwischen diesem und der Gelenkkugel 4 ein Freiraum verbleibt, der mit plastifiziertem Kunststoff verfüllt wird, der anschließend erstarrt und im erstarrten Zustand die Lagerschale 6 bildet.
Die Lagerschale 6 weist eine der Gelenkkugel 4 zugewandte Lagerfläche 12 auf, an welcher die Gelenkkugel 4 gleitfähig anliegt. Ferner sind in der Lagerfläche 12 mehrere mit einem Schmierstoff 17 gefüllte Schwindungskavitäten 13 vorgesehen, von denen eine Schwindungskavität eine um die Längsachse L herum verlaufende Umfangsnut 13' bildet und mehrere andere Schwindungskavitäten jeweils eine in axialer Richtung x verlaufende Längsnut 13" bilden. Die Längsnuten 13" sind rings der Längsachse L im Abstand zueinander, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet. Dabei ist eine der Längsnuten 13" in 2 dargestellt, wohingegen der Ort anderer Längsnuten in 2 lediglich schematisch angedeutet ist. Ferner ist der Verlauf der Umfangsnut 13' in 2 schematisch angedeutet.
Die Schwindungskavitäten 13 werden durch Ausnutzung des Schwindungsverhaltens des Kunststoffs ausgebildet. Dazu sind in einer den Innenraum 7 begrenzenden Innenwandung 14 des Gehäuses 3 mehrere Ausnehmungen 15 vorgesehen, von denen eine Ausnehmung 15' in Umfangsrichtung verläuft und mehrere andere Ausnehmungen 15" in axialer Richtung x verlaufen und rings der Längsachse L im Abstand zueinander, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet sind. Die axiale Länge Δx der Ausnehmungen 15" ist in 2 schematisch angedeutet.
Die Ausnehmungen 15 führen beim Verfüllen des zwischen dem Gehäuse 3 und der Gelenkkugel 4 vorgesehenen Freiraums mit dem plastifizierten Kunststoff zu schematisch angedeuteten Verdickungsstellen 16, an denen die Dicke des die Gelenkkugel umgebenden, plastifizierten Kunststoffs lokal erhöht wird. Während des Erstarrens des Kunststoffs setzt eine Schwindung des Kunststoffs ein, durch welche im Bereich jeder Verdickungsstelle 16 in der Lagerfläche 12 eine der Schwindungskavitäten 13 ausgebildet wird. Die so ausgebildeten Schwindungskavitäten 13 werden dann entweder anschließend oder während ihres Entstehens mit dem Schmierstoff 17 gefüllt. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass während des Erstarrens des Kunststoffs der Kugelzapfen 5 zusammen mit dem Gehäuse 3 und dem erstarrenden Kunststoff in einem Schmierstoffbad gelagert wird, sodass sich der Schmierstoff automatisch in die Schwindungskavitäten 13 einzieht. Alternativ kann der Schmierstoff aber nachträglich in die Schwindungskavitäten 13 eingebracht werden, beispielsweise indem in den Bereich zwischen Zapfenöffnung 10 und Dichtungsbalg 8 ein Schmierstoff eingebracht und der Kugelzapfen 5 anschließend relativ zu dem Gehäuse 3 bewegt, vorzugsweise ausgelenkt und/oder gedreht, wird.
Grundsätzlich sind unterschiedliche Ausgestaltungen und/oder Anordnungen der Schwindungskavitäten 13 möglich. In 2 sind Schwindungskavitäten 13, Ausnehmungen 15 und Verdickungsstellen 16 gemäß einer ersten Variante gezeigt, wobei aus 3 eine zweite Variante und aus 4 eine dritte Variante ersichtlich ist. Die Varianten können auch miteinander kombiniert werden. Dabei werden bei allen Varianten für identische oder ähnliche Merkmale dieselben Bezugszeichen verwendet.
Aus 3 ist ersichtlich, dass zusätzlich zu den aus 2 ersichtlichen Schwindungskavitäten 13' und 13'' eine Schwindungskavität 13''' im Bereich des freien Pols der Gelenkkugel 4 des Kugelzapfens 5 vorgesehen ist.
Aus 4 ist ersichtlich, dass anstelle der Längsnuten 13" mehrere Umfangsnuten 13' vorgesehen sind. Dabei ist die radiale Tiefe von zwei der Ausnehmungen 15`, die der Gelenköffnung 2 am nächsten liegen, mit t gekennzeichnet. Auch diese Variante kann um eine Schwindungskavität 13''' im Bereich des freien Pols der Gelenkkugel 4 des Kugelzapfens 5 gemäß 3 ergänzt werden.
In den Zeichnungsfiguren kann die Tiefe der Schwindungskavitäten und/oder Ausnehmungen teilweise übertrieben dargestellt sein, um sie für das Auge des Betrachters erkennbar werden zu lassen. Insbesondere können geringfügige Tiefen bereits ausreichen, um eine dauerhafte Schmierung bzw. Befettung sicherzustellen.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses 3' für eine hier nicht näher dargestellte vierte Variante des Kugelgelenks 1. Das Gehäuse 3' weist mehrere nutartige Ausnehmungen 15' in Umfangsrichtung sowie mehrere nutartige Ausnehmungen 15" in axialer Richtung auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich axiale Ausnehmungen 15" bis in voneinander abgewandte Stirnflächen 18, 19 des Gehäuses 3'. Hierdurch ist die Herstellung der sich axial erstreckenden Ausnehmungen 15" vereinfacht. Hier sind beispielhaft insgesamt vier sich axial erstreckende Ausnehmungen 15" dargestellt. Alternativ kann das Gehäuse 3' eine andere Anzahl an Ausnehmungen 15'' aufweisen, beispielsweise nur eine einzige Ausnehmung 15'' oder zwei oder drei oder vier oder mehr als vier Ausnehmungen 15''.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind an der Innenwandung Verdrehsicherungen 20, 21 ausgebildet, die eine Verdrehung der hier nicht näher dargestellten Lagerschale 6 in Bezug zum Gehäuse 3' verhindern. Die Verdrehsicherung 20 ist mittels eines radial nach innen gerichteten Vorsprungs ausgebildet. Die Verdrehsicherung 21 ist hier als eine Abflachung realisiert. Insbesondere bei sich axial erstreckenden Ausnehmungen 15'' kann auf die Ausbildung der Verdrehsicherungen 20 und/oder 21 verzichtet werden, da die Ausnehmungen 15'' bereits die Funktion einer Verdrehsicherung breitstellen und ein Verdrehen der Lagerschale 6 verhindern.
6a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses 3'' für eine fünfte Variante für ein hier nicht näher dargestelltes Kugelgelenk 1. Das Gehäuse 3'' entspricht weitgehend dem Gehäuse 3' gemäß 5. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zum Gehäuse 3' gemäß 5 sind bei dem hier dargestellten Gehäuse 3'' die sich in axialer Richtung erstreckenden Ausnehmungen 15''als Hinterschnitte ausgebildet. Aufgrund der hinterschnittig ausgebildeten Ausnehmungen 15'' ist jeweils die Funktion einer Verdrehsicherung zwischen der hier noch auszubildenden und nicht näher dargestellten Lagerschale 6 und dem Gehäuse 3'' ausgebildet bzw. verbessert. Aufgrund dieser Verdrehsicherung ist eine unerwünschte Rotation der Lagerschale 6 in Bezug zum Gehäuse 3'' vermieden bzw. blockiert.
6b zeigt eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß 6a. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Hinterschnitt der Ausnehmungen 15'' mittels eines jeweils C-förmigen Querschnitts der Ausnehmungen 15'' realisiert.
7a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses 3''' für eine weitere Variante für ein hier nicht näher dargestelltes Kugelgelenk 1. Das Gehäuse 3''' entspricht weitgehend dem Gehäuse 3'' gemäß 6a und 6b. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zum Gehäuse 3'' gemäß 6a und 6b sind bei dem hier dargestellten Gehäuse 3''' die sich in axialer Richtung erstreckenden Ausnehmungen 15'' als schwalbenschwanzförmige Hinterschnitte ausgebildet.
7b eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß 7a. Gut zu erkennen ist, dass der Hinterschnitt der Ausnehmungen 15'' bei diesem Ausführungsbeispiel mittels schwalbenschwanzförmigen Querschnitts der Ausnehmungen 15'' realisiert ist.
Bezugszeichen

1: Kugelgelenk
2: Gelenköffnung des Gehäuses
3: Gehäuse
3': Gehäuse
3'': Gehäuse
3''': Gehäuse
4: Gelenkkugel des Kugelzapfens
5: Kugelzapfen
6: Lagerschale
7: Innenraum des Gehäuses
8: Dichtungsbalg
9: Bauteil
10: Zapfenöffnung der Lagerschale
11: Montageöffnung des Gehäuses
12: Lagerfläche der Lagerschale
13: Schwindungskavität in der Lagerfläche
13': Umfangsnut (Schwindungskavität)
13'': Längsnut (Schwindungskavität)
13''': Schwindungskavität im Bereich des Pols
14: Innenwandung des Gehäuses
15: Ausnehmung
15': Ausnehmung in Umfangsrichtung
15'': Ausnehmung in axialer Richtung
16: Verdickungsstelle
17: Schmierstoff
18: Stirnfläche
19: Stirnfläche
20: Verdrehsicherung
21: Verdrehsicherung
L: Längsachse
M: Mittelpunkt der Gelenkkugel
t: Tiefe der Ausnehmung
u: Umfangsrichtung
x: axiale Richtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks (1), wobei ein eine Gelenkkugel (4) umfassender Kugelzapfen (5) bereitgestellt wird, dessen Gelenkkugel (4) mit einem plastifizierten Kunststoff umgeben wird, der anschließend erstarrt und im erstarrten Zustand eine die Gelenkkugel (4) umschließende Lagerschale (6) mit einer Zapfenöffnung (10) und mit einer der Gelenkkugel (4) zugewandten Lagerfläche (12) bildet, an welcher die Gelenkkugel (4) des Kugelzapfens (5) gleitfähig anliegt, der sich in einer axialen Richtung (x) durch die Zapfenöffnung (10) hindurch aus der Lagerschale (6) heraus erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass - während des Umgebens der Gelenkkugel (4) mit dem plastifizierten Kunststoff an ein oder mehreren Verdickungsstellen (16) eine Dicke des die Gelenkkugel (4) umgebenden, plastifizierten Kunststoffs lokal erhöht wird, und - während des Erstarrens eine Schwindung des Kunststoffs einsetzt, durch welche im Bereich jeder Verdickungsstelle (16) in der Lagerfläche (12) eine Schwindungskavität (13) ausgebildet wird, die mit einem Schmierstoff (17) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Verdickungsstelle (16) eine Erhebung bildet, die auf einer der Gelenkkugel (4) abgewandten Seite des die Gelenkkugel (4) umgebenden Kunststoffs vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder wenigstens eine der Verdickungsstellen (16) in einer Umfangsrichtung (u) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine andere der Verdickungsstellen (16) in axialer Richtung (x) verläuft.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - ein einen Innenraum (7) umschließendes Gehäuse (3) bereitgestellt wird, - der Kugelzapfen (5) zumindest mit seiner Gelenkkugel (4) in den Innenraum (7) eingebracht wird, sodass zwischen dem Gehäuse (3) und der Gelenkkugel (4) ein Freiraum verbleibt, - die Gelenkkugel (4) mit dem plastifizierten Kunststoff umgeben wird, indem der Freiraum mit dem plastifizierten Kunststoff verfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Gehäuse (3) eine den Innenraum (7) begrenzende Innenwandung (14) aufweist, in der ein oder mehrere Ausnehmungen (15) vorgesehen sind, sodass während des Verfüllens des Freiraums mit dem plastifizierten Kunststoff an der oder jeder Ausnehmung (15) die oder eine der Verdickungsstellen (16) ausgebildet wird, insbesondere wird oder werden aufgrund einer im Bereich der Verdickungsstelle (16) oder Verdickungsstellen (16) erhöhten Schwindung beim Erstarren des Kunststoffs die Schwindungskavität (13) oder Schwindungskavitäten (13) ausgebildet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oder zumindest eine der Ausnehmungen (15) eine Zuführöffnung aufweist, durch welche hindurch der plastifizierte Kunststoff in den Freiraum eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführöffnung, durch welche hindurch der plastifizierte Kunststoff in den Freiraum eingebracht wird, außerhalb der einen oder mehreren Ausnehmungen (15) ausgebildet ist, insbesondere weist keine Ausnehmung (15) eine solche Zuführöffnung auf.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oder wenigstens eine der Ausnehmungen (15) eine in einer Umfangsrichtung (u) verlaufende Umfangsnut (15') bildet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine andere der Ausnehmungen (13) eine in axialer Richtung (x) verlaufende Längsnut (15'') bildet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Schwindungskavität (13) nach der Schwindung des Kunststoffs mit dem Schmierstoff (17) gefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Ausnehmung (15) oder wenigstens eine der mehreren Ausnehmungen (15) als Hinterschnitt zum Realisieren einer Verdrehsicherung zwischen der Lagerschale (6) und dem Gehäuse (3) ausgebildet ist, insbesondere verklemmt und/oder verspannt sich der beim Erstarren schwindende Kunststoff aufgrund der hinterschnittigen Ausbildung der einen oder mehreren Ausnehmungen (15), vorzugsweise ist der Hinterschnitt mittels eines C-förmigen oder schwalbenschwanzförmigen Querschnitts der einen oder mehreren Ausnehmungen (15) realisiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelzapfen (5) zusammen mit dem während der Schwindung schrumpfenden Kunststoff in einem Schmierstoffbad gelagert wird, aus welchem der Schmierstoff (17) in die oder in jede Schwindungskavität (13) eingezogen wird.