DE10233798B4

DE10233798B4 - Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungs-Kugelgelenks mit geringen Momenten und Hochleistungs-Kugelgelenk mit geringen Momenten

Info

Publication number: DE10233798B4
Application number: DE10233798A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Gräber; Frank Budde; Achim MÖLL; Thomas Richter
Original assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Current assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: EP1525403A1; WO2004016959A1; CN100360817C; JP2005533989A; DE10233798A1; KR20050028905A; US20050005440A1; US7325289B2; CN1623044A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks mit:
– einem Kugelzapfen (2) bestehend aus einem Gelenkzapfen (3) mit einem einseitig angebrachten oder angeformten, im wesentlichen sphärisch ausgebildeten Kugelkopf (4),
– einer Lagerschale (5),
– einer Kunststoff Folie (6, 6a) als dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b) mit einer den Kugelkopf zumindest teilweise umschließenden Gelenkfläche (8) und
– einem zwischen der Oberfläche des Kugelkopfs (4) und der Gelenkfläche (8) der dünnwandigen Kugelschale eingebrachten Gleitmittel (9), mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Befüllen der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) mit dem Gleitmittel (9),
b) Einführen des Kugelkopfs (4) des Kugelzapfens (2) in die mit Gleitmittel befüllte dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b),
c) Einbringen des mit der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) versehenen Kugelkopfs (4) in ein Gehäuse (10),
d) Auffüllen zumindest eines Teils des freien Raums zwischen der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) und des Gehäuses (10) mit einem...

Description

Die vorliegende Erfindung betriff ein Kugelgelenk, insbesondere ein Kugelgelenk für starke Lagerbelastungen.
Standard-Kugelgelenke bestehen üblicherweise aus einem Gehäuse, einer Kugelschale aus Kunststoff einem Gleitmittel wie z.B. Fett, einem Kugelzapfen und einem Abdichtsystem, im Allgemeinen in Form eines Dichtungsbalgs.
Bei hohen Belastungen wie z.B. einer starken Druckbeanspruchung des Lagers oder einer hohen Betriebstemperatur neigt eine Kugelschale aus Kunststoff zu einer Formveränderung durch Kriechen des Kunststoffmaterials. Der Kriechprozess ist nicht nur von der Betriebstemperatur und der mechanischen Belastung der Kugelschale abhängig, sondern wird auch von der Wandstärke der Kugelschale beeinflusst. Allgemein gilt, je dicker eine Kugelschale ist, desto wahrscheinlicher ist eine Formveränderung der Kugelschale durch Kriechen des Kunststoffmaterials bei hoher Belastung. Kriecht das Material der Kugelschale zu stark, kommt es zum Spiel im Kugelgelenk verbunden mit einem starken Anstieg des Materialverschleißes an der Gelenkfläche. Standard-Kugelgelenke mit Vollkunststoffschalen sind daher nur bei relativ geringen Druckbelastungen im Bereich der Gelenkfläche, sogenannten Flächenpressungen, und bei moderaten Temperaturen einsetzbar.
Für Einsatzanforderungen mit höheren Flächenpressungen und höheren Betriebstemperaturen werden daher Kugelgelenk-Systeme mit sehr dünnen Kunststoff Kugelschalen bevorzugt.

In der Patentschrift DE 41 08 219 C2 wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks vorgeschlagen, demzufolge der Kugelkopf eines Kugelzapfens mit einem gute Gleiteigenschaften aufweisenden Kunststoff beschichtet, und die beschichtete Kugeloberfläche anschließend mit einem Fasergeflecht ummantelt wird. Der beschichtete und ummantelte Kugelkopf wird sodann in einer Gehäuseform positioniert und der Freiraum zwischen dem aufgebrachten Fasergeflecht und der Gehäuseform mit einem Zweikomponenten-Kunststoff so ausgefüllt, dass er das an der Oberfläche der beschichteten Gelenkkugel anliegende Fasergeflecht in sich einbettet. Die Fasern des Fasergeflechts müssen hierbei entsprechend den Hauptbelastungsrichtungen des Kugelgelenks ausgerichtet sein, womit die Herstellung der Faserummantelung mit einigem Aufwand verbunden ist.

Das in der Offenlegungsschrift DE 31 27 710 A1 offenbarte Verfahren zum Herstellen eines Kugelgelenks beschichtet den Kugelkopf dagegen mit einem Schmiermittel bevor über den beschichteten Kugelkopf eine verlorene Schalung aus einem synthetischen Werkstoff aufgetragen wird. Der so präparierte Kugelkopf wird anschließend in einer Form für das Gelenkgehäuse positioniert und schließlich wird der freie Raum zwischen dem präparierten Kugelkopf und der Form mit einem synthetischen Werkstoff zur Ausbildung des Gelenkgehäuses ausgefüllt. Die das Schmiermittel ummantelnde verlorene Schalung kann dabei aus einem, zu einer dünnen Folie erstarrenden Kunststoff bestehen. Gemäß dem Verfahren muss die Verarbeitungstemperatur des Kunststoffs unterhalb des Tropfpunkts des verwendeten Schmiermittels liegen, da sich sonst die Innenfläche der Kugelschale an konkave Abweichungen des Kugelkopfs von der sphärischen Form angleichen könnte. In der Folge würden hohe Gelenkmomente verbunden mit einem schnellen Verschleiß des Gelenks erzeugt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks mit geringen Gelenkmomenten anzugeben, wobei das Kugelgelenk für hohe mechanische Belastungen bzw. Flächenpressungen und hohe Betriebstemperaturen ausgelegt ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den in den unabhängigen Ansprüchen beanspruchten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird hierbei durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks mit einem Kugelzapfen bestehend aus einem Gelenkzapfen mit einem einseitig angebrachten oder angeformten, im Wesentlichen sphärisch ausgebildeten Kugelkopf, einer Lagerschale, einer vorgeformten Kunststoff Folie als dünnwandige Kugelschale mit einer den Kugelkopf zumindest teilweise umschließenden Gelenkfläche und einem zwischen der Oberfläche des Kugelkopfs und der Gelenkfläche der dünnwandigen Kugelschale eingebrachten Gleitmittel, mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

a) Befüllen der dünnwandigen Kugelschale mit dem Gleitmittel,
b) Einführen des Kugelkopfs des Kugelzapfens in die mit Gleitmittel befüllte dünnwandige Kugelschale,
c) Einbringen des gemäß Verfahrensschritt b) mit der dünnwandigen Kugelschale versehenen Kugelkopfs in ein Gehäuse,
d) Auffüllen zumindest eines Teils des freien Raumes zwischen der dünnwandigen Kugelschale und des Gehäuses mit einem Werkstoff zur Bildung der Lagerschale.

Die Verwendung einer vorgeformten Kunststoff Folie als dünnwandige Kugelschale gestattet die Konstruktion eines Kugelgelenks für hohe Flächenpressungen, da ein Kriechen des Kunststoffmaterials und eine damit verbundene Verformung der Geometrie der Gelenkfläche bei dünnen Kunststoff Folien ausgeschlossen ist. Da die dünnwandige Kugelschale aus einer bereits vorgeformten Kunststoff Folie besteht, entfällt die Notwendigkeit den Tropfpunkt des Gleitmittels auf die Verarbeitungstemperatur der Kunststoff Folie abzustimmen. Gleitmittel wie Kunststoff Folienwerkstoff können daher frei, entsprechend den zu erzielenden Belastungsanforderungen des Kugelgelenks ausgewählt werden.

Die als dünnwandige Kugelschale verwendete vorgeformte Kunststoff Folie kann kostengünstig durch Tiefziehen eines einseitig oder beidseitig offenen Kunststoffschlauchs geformt werden. Für eine einfache Montage weist die vorgeformte Kunststoff Folie die Form einer Kappe mit einer Öffnung auf, wobei der Boden der Kappe im Wesentlichen sphärisch konvex geformt ist, sodass eine an die sphärische Geometrie des Kugelkopfs angepasste Gleitfläche entsteht, die eine gute Beweglichkeit des Gelenks mit geringen Momenten garantiert.

Eine lange Lebensdauer des Kugelgelenks kann durch Bereitstellen eines Gleitmittel-Reservoirs im Bereich der Gelenkfläche erreicht werden. Vorteilhaft weist daher die vorgeformte Kunststoff Folie im Bereich der Gelenkfläche zumindest eine Kammer zur Aufnahme eines Gleitmittel-Reservoirs auf. Insbesondere bei Verwendung eines beidseitig offenen Kunststoffschlauchs zur Herstellung der vorgeformten Kunststoff Folie wird die Kammer zur Aufnahme des Gleitmittel-Reservoirs in wirtschaftlicher Weise durch Abbinden und/oder Verschweißen eines Endes eines dünnwandigen Kunststoffschlauchs gebildet. Das Abbinden kann beispielsweise mit einem Gummiring mit geringem Innendurchmesser erfolgen.

Bei vielen Verwendungsarten eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks entstehen die höchsten mechanischen Belastungen und damit die höchsten Flächenpressungen an der Gelenkfläche im Äquatorialbereich des Gelenks. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher die vorgeformte Kunststoff Folie mit einer Kammer zur Aufnahme eines Gleitmittel-Reservoirs im Äquatorialbereich der Gelenkfläche ausgebildet.

Nach längerer Nichtbenutzung oder bei extremen mechanischen Belastungen ist nicht immer garantiert, dass die Oberfläche des Kugelkopfs mit Gleitmittel versehen ist. Ein Festkörperkontakt zwischen dem Kugelkopf und der dünnwandigen Kugelschale kann daher im Betrieb nicht ausgeschlossen werden. Neben einer chemischen Beständigkeit gegenüber den verwendeten Gleitmitteln muss daher das Material der Kunststoffschale auch bei Festkörperkontakt gute Reibeigenschaften aufweisen, damit der Verschleiß des Kugelgelenks äußerst gering gehalten wird. Vorteilhaft wird daher die vorgeformte Kunststoff Folie für die dünnwandige Kugelschale aus einem Thermoplast, einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer oder einer Kombination zumindest zweier dieser Werkstoffe hergestellt.

Die Lebensdauer eines Kugelgelenks kann durch das Eindringen von Schmutzpartikeln in den Raum zwischen der dünnwandigen Kugelschale und dem Kugelkopf deutlich herabgesetzt werden. Die Öffnung der vorgeformten Kunststoff Folie ist daher in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Dichtungsbalg ausgeführt.

Die Lagerschale eines Kugelgelenks muss alle darin auftretenden Kräfte aufnehmen, ohne dass eine Verformung der Gelenkfläche bewirkt wird. Zur Bildung der Lagerschale wird daher bevorzugt ein duroplastischer Werkstoff verwendet der auch unter hohen Lasten nicht zum Fließen neigt.

Zum Einstellen eines definierten Gelenkmoments wird das Gehäuse des Kugelgelenks vorteilhaft gegen die Lagerschale umgeformt oder verspannt.

Ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk kann beispielsweise für die Realisierung von Radaufhängungen oder Lenkgestängen in Kraftfahrzeugen verwendet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert, wobei auf folgende Zeichnungen Bezug genommen wird:
1a zeigt eine erste Ausführungsform eines erifndungsgemäßen Kugelgelenks.
1b zeigt zwei Varianten einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer vorgeformten Kunststoff Folie.
2a zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks.
2b zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks.
3a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks für das Einstellen eines definierten Gelenkmoments.
3b zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks zum Einstellen eines definierten Gelenkmoments.
Die Bezugszeichen voneinander verschiedener aber äquivalenter Elemente weisen die selbe Ziffer gefolgt von einem die Ausführungsform kennzeichnenden Buchstaben auf.
In der 1a ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks 1 dargestellt. Das Kugelgelenk 1 besteht aus einem Kugelzapfen 2, der in einer dünnwandigen Kugelschale 7 gelagert ist und einer Lagerschale 5, die zumindest den durch die Lagerkräfte beanspruchten Teil der dünnwandigen Kugelschale 7 trägt. Der Kugelzapfen 2 kann einteilig oder zweiteilig ausgeführt sein. Er besteht aus einem Gelenkzapfen 3 und einem im Wesentlichen sphärisch ausgebildeten Kugelkopf 4 an einem Ende des Gelenkzapfens 3. Bei einem einteiligen Kugelzapfen 2 ist der Kugelkopf 4 an den Gelenkzapfen 3 angeformt, bei einem zweiteiligen Kugelzapfen 2 werden der Gelenkzapfen und der Kugelkopf 4 in getrennten Herstellungsverfahren geformt und dann zu einem Kugelzapfen 2 verbunden.
Im erfindungsgemäßen Kugelgelenk 1 ist der Kugelkopf 4 des Kugelzapfens 2 von einem Gleitmittel 9 umgeben. Das Gleitmittel 9 trennt die Oberfläche des Kugelkopfs 4 von der inneren Fläche einer dünnwandigen Kugelschale 7. Die Form der inneren Fläche der dünnwandigen Kugelschale 7 ist im Wesentlichen sphärisch, wobei nur konvexe Abweichungen von der sphärischen Form, also insbesondere keine konkaven Abweichungen in Richtung des Zentrums der Sphäre zugelassen sind. Die Bedingung der im Wesentlichen sphärischen Form der dünnwandigen Kugelschale 7 gilt nur für den als Gelenkfläche 8 genutzten Bereichs der inneren Oberfläche der dünnwandigen Kugelschale. Als Gelenkfläche 8 ist derjenige Teil der Kugelschale 7 zu verstehen, der die Gelenkkräfte zwischen dem Kugelkopf 4 und der Kugelschale 7 überträgt.
Die Lagerschale 5 wird von einem Gehäuse 10 umgeben. In dem Gehäuse 10 kann eine Nut vorgesehen werden, die zur Befestigung eines Dichtungsbalgs 15 dient. Der Dichtungsbalg 15 schließt den Gelenkraum oberhalb des Kugelkopfs gegen den Gelenkzapfen 3 ab. Er verhindert das Eindringen von Staub- bzw. anderen Partikeln oder auch von Feuchtigkeit in das Innere des Kugelgelenks 1.
Erfindungsgemäß wird eine vorgeformte Kunststoff Folie 6, wie z.B. in der 1b dargestellt, als dünnwandige Kugelschale 7 verwendet. Die vorgeformte Kunststoff Folie 6 kann mit einem der bekannten Herstellungsverfahren gefertigt werden. Vorzugsweise wird sie aus einem einseitig oder auch zweiseitig offenen Kunststoffschlauch durch Tiefziehen gefertigt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Dicke der vorgeformten Kunststoff Folie 6 im Bereich der späteren Gelenkfläche 8 genügend dünn ist, sodass es unter den Belastungsbedingungen des fertigen Kugelgelenks 1 zu keinem Kriechen des Kunststoffmaterials kommen kann.
Alternativ zum Fertigen der vorgeformten Kunststoff Folie 6 aus einem einseitig oder beidseitig offenen Kunststoffschlauch kann diese auch durch Tiefziehen aus einer flächigen Kunststoff Folie gewonnen werden.
In der 1b sind zwei Beispiele einer vorgeformten Kunststoff Folie 6 dargestellt. Die Kunststoff Folie des Beispiels i) ist beispielsweise aus einem einseitig offenen Kunststoffschlauch oder einer flächigen Kunststoff Folie durch Tiefziehen hergestellt. Die vorgeformte Kunststoff Folie 6 des zweiten Beispiels ii) wird aus einem beidseitig offenen Kunststoffschlauch geformt. Das untere Ende kann mit einem Gummiring 20 oder durch Verschweißen verschlossen werden. Die vorgeformte Kunststoff Folie 6 besitzt eine Öffnung 11 für das Einführen des Kugelkopfs 4 und einen Boden 12, dessen sphärische Krümmung an den Durchmesser des Kugelkopfs angepasst ist.
Vorteilhaft werden bei einem Kugelgelenk 1 in oder nahe den Bereichen der zu erwartenden größten mechanischen Belastung Gleitmittel-Reservoirs 14 bzw. 14a gebildet. Zu diesem Zweck werden in der vorgeformten Kunststoff Folie 6 Kammern 13 oder 13a bzw. 13b ausgeformt. Bei axialer Belastung des Kugelgelenks 1 treten die größten Flächenpressungen im Bereich der Polfläche, d.h. dem kugelkopfseitigen Ende des Kugelzapfens 2 auf. Vorteilhaft wird daher in der unteren Mitte des Bodens der vorgeformten Kunststoff Folie 6 eine konvexe Kammer 13 zur Aufnahme eines Gleitmittel-Reservoirs 14 ausgebildet. Bei Verwendung eines beidseitig offenen Kunststoffschlauchs für das Formen einer Kunststoff Folie 6a gemäß dem Beispiel ii) der 1b entsteht durch das Verschweißen des bodenseitigen Endes oder das Abbinden dieses Endes mit einem Verschlussgummiring 20 automatisch eine entsprechende Kammer 13b zur Aufnahme eines polseitigen Gleitmittel-Reservoirs 14.
Bei vielen Anwendungsfällen für Kugelgelenke 1 treten die größten mechanischen Belastungen der Gelenkfläche und damit die höchsten Flächenpressungen im Äquatorialbereich der Kugelgelenkfläche auf. Daher werden vorteilhaft auch in diesem Bereich Kammern 13a in der vorgeformten Kunststoff Folie 6 ausgebildet. Um den gesamten äquatorialen Bereich der Gelenkfläche mit einem Gleitmittel-Reservoir auszustatten, kann die äquatoriale Kammer 13a zur Bildung eines äquatorialen Gleitmittel-Reservoirs 14a torusförmig ausgestaltet werden. Es ist jedoch auch möglich, mehrere konvexe Ausbuchtungen der Kunststoff Folie im äquatorialen Bereich der Gelenkfläche vorzusehen.
Für eine Verwendung als dünnwandige Kugelschale 7 beträgt die Wandstärke der vorgeformten Kunststoff Folie typischerweise 0,1 mm oder weniger. Bei Verwendung von Werkstoffen mit geringer Kriechneigung können jedoch auch höhere Wandstärken vorgesehen werden. Generell sind die Wandstärken der vorgefertigten Kunststoff Folie 6 bzw. 6a jedoch dünn genug um ohne Faltenbildung am oberen, dem Gelenkzapfen 3 zugewandten Teil des Kugelgelenks wie auch am Gelenkzapfen selbst angelegt zu werden.
In den in der 1b dargestellten Beispielen einer vorgeformten Kunststoff Folie 6 und 6a ist der Durchmesser dieser Folie oberhalb des äquatorialen Bereichs der Gelenkfläche konstant und in etwa gleich dem Durchmesser des Kugelkopfs 4 selbst. Alternativ hierzu kann auch im Bereich oberhalb der Äquatorialebene die sphärische Form des Kugelkopfs in der vorgeformten Kunststoff Folie 6 fortgeführt werden, sodass die Öffnung in etwa dem Durchmesser des Übergangs zwischen Kugelkopf 4 und Gelenkzapfen 3, dem Durchmesser des Gelenkzapfens selbst oder einem geringeren Wert entspricht. Ist die Öffnung 11 enger als der Durchmesser des Kugelkopfs, so wird diese beim Einpressen des Kugelkopfs 4 in die vorgeformte Kunststoff Folie 6 kurz gedehnt, zieht sich dann aber oberhalb des Kugelkopfs wieder auf ihre ursprünglichen Größe zurück und schmiegt sich dabei eventuell an den Gelenkzapfen an.
Im Folgenden werden die Grundzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks erläutert. In einem ersten Schritt wird eine vorgeformte Kunststoff Folie 6 oder 6a, beispielsweise eine vorgeformte Kunststoff Folie gemäß einem der Beispiele i) oder ii) der 1b oder einer der oben beschriebenen Arten einer vorgeformten Kunststoff Folie, mit einem Gleitmittel befüllt. Die Füllmenge des Gleitmittels 9 ist so bemessen, dass der Raum zwischen der äußeren Oberfläche des Kugelkopfs und zumindest der als Gelenkfläche 8 genutzte Teil der inneren Oberfläche des aus der vorgeformten Kunststoff Folie 6 oder 6a gefertigten dünnwandigen Kugelschale vom Gleitmittel ausgefüllt wird. Insbesondere garantiert die Füllmenge des Gleitmittels 9 ein Befüllen der durch die Kammern 13 oder 13a sowie eventuell 13b in der Kugelschale gebildeten Gleitmittel-Reservoire 14 und 14a. Als Gleitmittel können Schmiermittel auf Kalzium- oder Lithium-Seifenbasis, Molybdändisulfid, Silikon oder Schmierfette verwendet werden.
Im Anschluss an das Befüllen der vorgeformten Kunststoff Folie 6 oder 6a mit einem Gleitmittel wird der Kugelzapfen 2 mit dem Kugelkopf 4 voraus in die vorgeformte Kunststoff Folie 6 oder 6a gedrückt. Das in der Kunststoff Folie befindliche Gleitmittel verteilt sich hierbei über den Berührungsbereich zwischen der äußeren Oberfläche des Kugelkopfs 4 und der inneren Oberfläche der vorgeformten Kunststoff Folie 6 bzw. 6a. Ist die Kunststoff Folie 6 oder 6a nicht bereits so ausgeformt, dass sie sich beim Eindrücken des Kugelzapfens 2 um den Kugelkopf 4 und ggf. um den, an den Kugelkopf 4 anschließenden, unteren Teil des Gelenkzapfens 3 schließt, so kann sie mit Hilfe eines ersten Gummirings 16, wie in der 1a dargestellt, an den Kugelzapfen 2 angeformt werden. Die der äußeren Oberfläche des Kugelkopfs 4 gegenüberliegende innere Oberfläche 8 der aus der vorgeformten Kunststoff Folie 6 nach diesem Verfahrensschritt hergestellten dünnwandigen Kugelschale 7 bildet die Gelenkfläche, definiert als Trag- und Verschleißfläche zwischen Kugelkopf 4 und Lagerschale 5 des erfindungsgemäßen Kugelgelenks 1.
Im nächsten Schritt wird der Kugelzapfen 2 mit der befüllten dünnwandigen Kugelschale 7 in einem Gehäuse 10 positioniert. Der freie Raum zwischen der äußeren Oberfläche der dünnwandigen Kugelschale 7 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 10 wird nachfolgend mit einem Werkstoff zur Bildung einer Lagerschale 5 soweit ausgefüllt, dass die vorgegebene Beweglichkeit des Kugelzapfens 2 gegeben ist und die Gelenkfläche 8 im mechanisch belasteten Bereich unterstützt wird.
An der Grenzfläche zwischen dem durch die Lagerschale 5 abgestützten Teil und dem freien Teil der Kugelschale 7 kann ein zweiter Gummiring 17 eingesetzt oder eingegossen werden, der ein Verschieben der Kugelschale 7 in der Lagerschale 5 verhindert.
Als Werkstoff für die Bildung einer Lagerschale 5 kann z.B. ein duroplastischer Werkstoff, beispielsweise ein Harz, verwendet werden. Das Harz wird in den Zwischenraum zwischen Kugelschale 7 und Gehäuse 10 gegossen und härtet dort zur Bildung der Lagerschale 5 aus. Um hohe Festigkeiten und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten, kann das Harz beispielsweise mit Fasern versetzt sein. Das Gehäuse 10 kann im Anschluss an das Ausfüllen entfernt werden oder aber zur Bildung einer äußeren Wandung der Lagerschale an dieser verbleiben.
Zur Herstellung der Lagerschale eignen sich generell Werkstoffe, die auch bei größeren mechanischen Belastungen formstabil bleiben. Insbesondere eignen sich hierfür duroplastische Kunststoffe wie beispielsweise Epoxid-Polyesterharze, aber auch glasfaserverstärkte Pressmassen oder Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann es unter extremen Belastungen oder nach Zeiten längerer Nichtbelastung eines Kugelgelenks zu einem Festkörperkontakt zwischen dem Kugelkopf 4 und der Gelenkfläche 8 der dünnwandigen Kugelschale 7 kommen. In diesem Fall muss das Material der Kugelschale gute Reibeigenschaften garantieren. Unter guten Reibeigenschaften werden insbesondere eine geringe Reibzahl sowie ein geringer Materialverschleiß bei Festkörperkontakt verstanden. Die Kriechfestigkeit der Kugelschale 7 wird bereits durch die Konstruktion des erfindungsgemäßen Kugelgelenks mit einer geringen Wandstärke der Kugelschale 7 erreicht. Die Abstützung der Kugelschale gegenüber den mechanischen Belastungen des Kugelgelenks erfolgt durch die Lagerschale 5. Weitere Anforderungen an das Material der Kugelschale 7 sind die chemische Beständigkeit gegenüber dem Gleitmittel 9 und den Stoffen, denen das Kugelgelenk 1 in den jeweiligen Einsatzgebieten ausgesetzt ist, sowie eine Beständigkeit gegenüber den im Betriebsfalle auftretenden Temperaturen.
Als Materialien zur Herstellung der dünnwandigen Kugelschale 7 und damit zur Herstellung der vorgeformten Kunststoff Folie 6 bzw. 6a eigenen sich daher insbesondere Werkstoffe wie beispielsweise Thermoplaste, Elastomere, thermoplastische Elastomere oder eine Kombination von zumindest zweier dieser Werkstoffe. Insbesondere können Materialen wie Polyoximethylen (POM), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyamid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylchlorid-Acetat-Copolymer oder Polyethylen als Werkstoffe zur Herstellung der Kugelschale 7 verwendet werden.
Alternativ zu der in der 1a dargestellten Verwendung eines separaten Dichtungsbalgs 15 zur Abdichtung des Kugelgelenks gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen kann der Dichtungsbalg auch als integrale Fortsetzung der Kugelschale 7a bzw. 7b ausgebildet werden. Beispiele entsprechender Ausführungen sind in den 2a und 2b dargestellt.
In der Ausführungsform 1a der 2a ist der Dichtungsbalg 15a so in die Kugelschale 7a integriert, dass die Kugelschale oberhalb des Ansatzes zwischen Gelenkzapfen 3 und Kugelkopf 4 dicht an den Gelenkzapfen 3 anschließt. Vorteilhaft wird hierbei die Kugelschale 7a aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellt. Für eine erhöhte Abdichtkraft wird der Durchmesser der Öffnung 11 der Kugelschale 7a kleiner gewählt als der Durchmesser des Gelenkzapfens 3 und der Randabschluss der Öffnung verdickt ausgeführt. Die Verdickung kann durch entsprechende Bearbeitung des Öffnungsrandes erzeugt werden, oder durch Einarbeiten eines Gummirings in die Kunststoff Folie. Statt der Verwendung eines separaten zweiten Gummirings 17 zur Fixierung der Kugelschale in der Lagerschale 5 kann eine Verrutsch-Sicherung 17 auch in Form einer Wandstärkenverdickung an der entsprechenden Stelle erzielt werden. Die in der 2a dargestellte Ausführung eines Dichtungsbalgs 15a schützt die Gelenkfläche 8 vor dem Eindringen von Partikeln oder Feuchtigkeit und beugt damit einem frühzeitigen Verschleiß des Kugelgelenks vor.
Soll der obere Teil des Kugelgelenks 1b vor einem Zugriffgeschützt werden, ist eine zwiebelförmige Ausführungsform eines mit der Kugelschale 7b integrierten Dichtungsbalgs 15b vorzuziehen. Die Wandstärke des Dichtungsbalgs kann hierbei variabel gestaltet werden, wobei eine dünnere Wandstärke an Stellen, die eine hohe Flexibilität und eine höhere Wandstärke an Stellen, die eine hohe mechanische Stabilität erfordern, verwendet wird. Die Abdichtung des Dichtungsbalgs erfolgt wie zuvor erwähnt oder kann, wie in der 2b gezeigt auch mit einem separaten Gummiring 21 hergestellt werden.
Die bisher vorgestellten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks 1, 1a und 1b betreffen Hochleistungs-Kugelgelenke mit geringen Momenten. Einige Anwendungsfälle benötigen jedoch Kugelgelenke mit definierten Momenten. Hierunter sind Kugelgelenke zu verstehen, bei denen ein bestimmtes Moment aufgewendet werden muss, um den Kugelzapfen 2 um das Zentrum des Kugelkopfs 4 zu kippen. Die Einstellung des Moments erfolgt mittels der Einstellung einer bestimmten Flächenpressung an der Gelenkfläche 8.
Das in der 3a dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks 1c zeigt ein Gehäuse 10, dessen obere Kante 19 eingerollt wird, um den vom Material der Lagerschale 5 ausgefüllten Raum einzuengen bzw. Druck auf die Lagerschale 5 auszuüben.
Auf die Unterseite der Lagerschale 5 wird durch Eindrücken eines Rings 18 ebenfalls ein entsprechender Druck ausgeübt. Die damit auf die Lagerschale 5 ausgeübte Spannung erhöht den Druck im Bereich der Gelenkfläche 8 und damit das Moment des Kugelgelenks 1c.
Alternativ hierzu kann das Einstellen eines bestimmten Moments, z.B. entsprechend einer Vorgabe auf 1-3 Nm, 5 Nm oder dergleichen auch durch Umlegen der Oberkante 19 eines Gehäuses 10, wie in der 3b dargestellt, erfolgen. Diese Ausführungsform 1d eignet sich insbesondere für Kugelgelenke, die ein Montagegewinde im unteren Bereich des Kugelgelenks vornehmlich in einer unteren Öffnung des Gehäuses 10 aufweisen. Die Innenwand des Gehäuses 10 folgt dabei in grober Näherung der Geometrie der Kugelschale, sodass die Wandstärke der Lagerschale 5 nur minimal variiert. Durch Eindrücken der Oberkante 19 des Gehäuses 10 kann dabei ein Druck auf die Lagerschale 5 ausgeübt werden, der sich aufgrund der relativ gleichförmigen Wandstärke der Lagerschale 5 gleichmäßig auf die Gelenkfläche 8 überträgt.
Dieses, mit Bezug auf die Darstellungen der 3a und 3b beschriebene Nachspannen der Lagerschale 5 zum Erzielen eines definierten Moments des Kugelgelenks 1c bzw. 1d kann sowohl vor, während oder nach der Aushärtung des zur Bildung der Lagerschale 5 in das Gehäuse 10 eingebrachten Materials erfolgen.

1, 1a, 1b, 1c, 1d: Kugelgelenk
2: Kugelzapfen
3: Gelenkzapfen
4: Kugelkopf
5: Lagerschale
6, 6a: Kunststoff Folie
7, 7a, 7b: Kugelschale
8: Gelenkfläche
9: Gleitmittel
10: Gehäuse
11: Öffnung der Kunststoff Folie
12: Boden der Kunststoff Folie
13, 13a, 13b: Kammer
14, 14a: Gleitmittel-Reservoir
15, 15a, 15b: Dichtungsbalg
16: erster Gummiring
17: zweiter Gummiring
18: Ring
19: obere Gehäusekante
20: Gummiring
21: separater Gummiring

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks mit: – einem Kugelzapfen (2) bestehend aus einem Gelenkzapfen (3) mit einem einseitig angebrachten oder angeformten, im wesentlichen sphärisch ausgebildeten Kugelkopf (4), – einer Lagerschale (5), – einer Kunststoff Folie (6, 6a) als dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b) mit einer den Kugelkopf zumindest teilweise umschließenden Gelenkfläche (8) und – einem zwischen der Oberfläche des Kugelkopfs (4) und der Gelenkfläche (8) der dünnwandigen Kugelschale eingebrachten Gleitmittel (9), mit folgenden Verfahrensschritten: a) Befüllen der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) mit dem Gleitmittel (9), b) Einführen des Kugelkopfs (4) des Kugelzapfens (2) in die mit Gleitmittel befüllte dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b), c) Einbringen des mit der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) versehenen Kugelkopfs (4) in ein Gehäuse (10), d) Auffüllen zumindest eines Teils des freien Raums zwischen der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) und des Gehäuses (10) mit einem Werkstoff zur Bildung der Lagerschale (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b) verwendete vorgeformte Kunststoff Folie (6, 6a) durch Tiefziehen eines einseitig oder beidseitig offenen Kunststoffschlauchs geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeformte Kunststoff Folie (6, 6a) in Form einer Kappe mit einer Öffnung (11) und einem im wesentlichen sphärisch konvex geformten Boden (12) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Gelenkfläche (8) der vorgeformten Kunststoff Folie (6, 6a) zumindest eine Kammer (13, 13a, 13b) zur Aufnahme eines Gleitmittelreservoirs (14, 14a) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorgeformten Kunststoff Folie (6a) eine Kammer (13b) zur Aufnahme eines Gleitmittelreservoirs (14) im Bereich der Gelenkfläche (8) durch Abbinden und/oder Verschweißen eines Endes eines dünnwandigen Kunststoffschlauchs gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorgeformten Kunststoff Folie (6, 6a) eine Kammer (13, 13b) zur Aufnahme eines Gleitmittelreservoirs (14) im Polbereich der Gelenkfläche (8) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorgeformten Kunststoff Folie (6, 6a) eine Kammer (13a) zur Aufnahme eines Gleitmittelreservoirs (14a} im Äquatorialbereich der Gelenkfläche (8) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeformte Kunststoff Folie aus einem Thermoplast, einem Elastomer, einem termoplastischen Elastomer oder einer Kombination zumindest zweier dieser Werkstoffe hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (11) der vorgeformten Kunststoff Folie (6, 6a) als Dichtungsbalg (15) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein duroplastischer Werkstoff zur Bildung einer Lagerschale (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein definiertes Moment des Kugelgelenks (1c, 1d) durch Umformen oder Verspannen des Gehäuses (10) gegen die Lagerschale (5) eingestellt wird.
Kugelgelenk, mit – einem Kugelzapfen (2) bestehend aus einem Gelenkzapfen (3) mit einem einseitig angebrachten oder angeformten, im wesentlichen sphärisch ausgebildeten Kugelkopf (4), – einer Lagerschale (5), – einer dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) mit einer den Kugelkopf (4) zumindest teilweise umschließenden Gelenkfläche (8) und – einem zwischen der Oberfläche des Kugelkopfs (4) und der Gelenkfläche (8) der dünnwandigen Kugelschale (7, 7a, 7b) eingebrachten Gleitmittel (9), dadurch gekennzeichnet, – dass die dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b) eine Kunststoff Folie (6, 6a) ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff Folie (6, 6a) eine vorgeformte Kunststoff Folie ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine dünnwandige Kugelschale (7, 7a, 7b) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9.
Kugelgelenk nach Anspruch 12, 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Lagerschale (5) aus einem duroplastischen Werkstoff
Kugelgelenk nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) gegen die Lagerschale (5) zum Einstellen eines definierten Moments nach Montage umgeformt oder verspannt ist.