DE10329804A1

DE10329804A1 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE10329804A1
Application number: DE2003129804
Authority: DE
Inventors: Mirko Bachmann; Ronald Fleischer
Original assignee: AUTO ENTWICKLUNGSRING SACHSEN; AUTO-ENTWICKLUNGSRING-SACHSEN GmbH
Current assignee: AUTO ENTWICKLUNGSRING SACHSEN; AUTO-ENTWICKLUNGSRING-SACHSEN GmbH
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: DE10329804B4

Abstract

Das Kugelgelenk, welches mit einem einseitig offenen Gelenkgehäuse, einer zwischen dem Gelenkgehäuse und der Gelenkkugel angeordneten zweiteiligen Lagerschale und wenigstens einem Abdichtelement zwischen Kugelzapfen und dem Gelenkgehäuse ausgestattet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lagerschale (1) mit dem Gelenkgehäuse (2) fest verbunden und an der Gelenkkugel (3) maximal bis zum Kugeläquator (4) angeordnet ist, DOLLAR A daß am Kugeläquator (4) ein Dichtring (6) zwischen Gelenkkugel (3) und Gelenkgehäuse (2) angeordnet ist, DOLLAR A daß ein über den Kugeläquator (4) hinausragendes Teil (7) des Gelenkgehäuses (2) zylindrisch ausgebildet ist, DOLLAR A daß an der Innenfläche (8) des Gelenkgehäuses (2) Verankerungselemente (9) angeordnet sind, DOLLAR A daß am Gelenkgehäuse (2) ein fixierender Verschlußring (10) angeordnet ist, DOLLAR A daß mit der kalottenförmig ausgebildeten Innenfläche (11) des Verschlußringes (10) eine untere Lagerschale (5) fest verbunden ist und DOLLAR A daß zwischen Gelenkgehäuse (2) und Verschlußring (10) eine nach Einstellung der Gelenkvorspannung erfolgende kraftschlüssige Verbindung (18) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere für Fahrwerksteile von Kraftfahrzeugen, mit einem einseitig offenen Gelenkgehäuse, einer zwischen dem Gelenkgehäuse und der Gelenkkugel angeordneten Lagerschale, einem aus der Gehäuseöffnung herausragenden Gelenkzapfen mit einer in der wenigstens zweiteiligen Lagerschale gelagerten Gelenkkugel und wenigstens einem Abdichtelement zwischen Kugelzapfen und dem Gelenkgehäuse, wobei der Gelenkzapfen aus Stahl und die Lagerschale aus einem Werkstoff mit geringerem E-Modul besteht, sowie weiterhin einem die Gehäuseausnehmung des Gelenkgehäuses verschließenden und die darin eingeordnete Lagerschale im Gelenkgehäuse verspannenden Verschlußring. Derartige Kugelgelenke werden als voreingestellte Baugruppen insbesondere für die mechanisierte Montage im Kraftfahrzeugbau benötigt.
Kugelgelenke genießen insbesondere im Kraftfahrzeugbau wegen ihrer Bedeutung für die technische Sicherheit und wegen der angestrebten Langlebigkeit besondere Aufmerksamkeit.

So beschreibt die DE 100 05 979 A1 ein Kugelgelenk, dessen Lagerschale für die Gelenkkugel direkt in einem kraftübertragenden Funktionselement eingeordnet ist. Zum Zwecke der Verspannung der Gelenkkugel in der Lagerschale kommt hierbei ein Verschlußring zum Einsatz, der im Zusammenhang mit der Einstellung der Vorspannkräfte die über den Kugeläquator hinausragende Lagerschale deformiert und damit den festen Sitz der Kugel in der Lagerschale gewährleistet. Zur Verbesserung des Schutzes des Kugelgelenkes gegen das Eindringen von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit in den Bereich zwischen Lagerschale und Gelenkkugel ist der Dichtring mit einer Dichtlippe ausgestattet, die unterhalb des Kugeläquators an die Kugeloberfläche angreift. Zusätzlich ist mittels bekannter Maßnahmen ein Dichtbalg zwischen dem die Kugel aufnehmenden Bauteil und dem Schaft des Kugelzapfens angeordnet.

Der entscheidende Mangel dieser technischen Lösung besteht darin, daß die Herstellung der Gelenkfunktion sowie das Einstellen der Vorspannkräfte für die Beweglichkeit der Gelenkkugel in der Lagerschale einerseits sowie die komplette Abdichtung des Kugelgelenks erst im Zusammenhang mit der jeweiligen Baugruppenmontage erfolgen kann. Dies hat zur Folge, daß eine komplette Vormontage des Kugelgelenks und ein definiertes Voreinstellen der Einspannkräfte der Gelenkkugel mittels dieser bekannten technischen Lösung nicht ermöglicht wird.

Eine weitere technische Lösung der gattungsgemäßen Art wird in der DE 101 25 227 A1 beschrieben. Diese Vorrichtung betrifft ein Kugelgelenk mit einem deckelverschlossenen Gehäuse, wobei im Gehäuse mehrteilige Lagerschalen angeordnet sind, von denen eine durch den lageveränderlichen Deckel einer einstellbaren Vorspannkraft ausgesetzt werden kann. Das Gehäuse zur Aufnahme der Gelenkkugel des Kugelzapfens ist im gelenkig zu verbindenden Bauteil eingearbeitet. Auch hierbei ist eine Vormontage des eigentlichen Kugelgelenks mit einer Voreinstellung der Einspannkräfte der Kugel technisch nicht möglich. Das Fehlen einer bekannten Lösung für die Gestaltung eines voreinstellbaren und komplett montierbaren Kugelgelenks behindert angestrebte Rationalisierungsmaßnahmen und Produktivitätserhöhungen. Zur Gewährleistung hoher Anforderungen an die definierte Qualität einer Kugelgelenkverbindung ist auch diese bekannte technische Lösung wenig geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, mit deren Hilfe die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden können. Die angestrebte Lösung soll es ermöglichen, Kugelgelenke komplett vorzufertigen und als Baugruppe mit voreingestellten Gelenkeigenschaften in gelenkig zu verbindenden Bauteilen, insbesondere Fahrwerksteilen, einzupassen. Nach der Montage des kompletten Kugelgelenkes sollen Einstellarbeiten zur Gewährleistung de gewünschten Eigenschaften sowie Maßnahmen zum Schutz des Kugelgelenks gegen das Eindringen von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit nicht mehr erforderlich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhaften Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Danach besteht ein Kugelgelenk, wie es vorteilhafter Weise im Fahrzeugbau zum Einsatz kommt, aus einem einseitig offenen Gelenkgehäuse, einer zwischen dem Gelenkgehäuse und der Gelenkkugel angeordneten Lagerschale und einem aus der Gehäuseöffnung herausragenden Gelenkzapfen. Die Gelenkkugel ist in einer wenigstens zweiteiligen Lagerschale gelagert. Zwischen dem Kugelzapfen und dem Gelenkgehäuse ist wenigstens ein Abdichtelement angeordnet. Der Gelenkzapfen besteht aus Stahl, während die Lagerschale aus einem Werkstoff mit geringerem E-Modul als dem E-Modul des Werkstoffs Stahl besteht. Weiterhin enthält das Kugelgelenk einen die Gehäuseausnehmung des Gelenkgehäuses verschließenden und die darin eingeordnete Lagerschale im Gelenkgehäuse verspannenden Verschlußring. Die Lagerschale ist in eine obere und eine untere Lagerschale getrennt. Während die obere Lagerschale mit dem Gelenkgehäuse fest verbunden ist, besteht zwischen der unteren Lagerschale und dem Verschlußring eine feste Verbindung. Die obere Lagerschale ist an der Gelenkkugel maximal bis zum Kugeläquator angeordnet. Am Kugeläquator ist ein gleichzeitig die Toleranz zwischen der oberen und der unteren Lagerschale ausgleichender und den Zutritt von Verschmutzung und Feuchtigkeit in den Bereich zwischen Kugeloberfläche und oberer Lagerschale verhindernder Dichtring zwischen Gelenkkugel und Gelenkgehäuse angeordnet. Das Gelenkgehäuse ragt über den Kugeläquator in Richtung des Gelenkzapfens hinaus. Der über dem Kugeläquator hinausragende Teil des Gelenkgehäuses ist zylindrisch ausgebildet, wobei an der Innenfläche des zylindrisch ausgebildeten Teils des Gelenkgehäuses Verankerungselemente angeordnet sind. Weiterhin ist am Gelenkgehäuse ein die Gelenkkugel in der oberen Lagerschale fixierender Verschlußring angeordnet. Dessen Innenfläche ist kalottenförmig ausgebildet. An dieser Innenfläche ist die untere Lagerschale fixiert. Die Außenfläche des Verschlußrings ist wenigstens teilweise zylinderförmig ausgebildet, wobei an der zylindrischen Außenfläche des Verschlußrings ebenfalls Verankerungselemente angeordnet sind.

Schließlich ist zwischen dem Gelenkgehäuse und dem Verschlußring eine kraftschlüssige Verbindung angeordnet, die nach Einstellung der Gelenkvorspannung unter Nutzung der Verankerungselemente an den zylindrischen Außen- und Innenflächen von Gelenkgehäuse und Verschlußring vorgenommen wird.

Auf diese Weise ist zu gewährleisten, daß das erfindungsgemäße Kugelgelenk nicht nur rationell und kostengünstig hergestellt, sondern hinsichtlich der benötigten Gelenkeigenschaften voreingestellt werden kann. Die gewählter Voreinstellung wird danach durch das Herstellen der kraftschlüssigen Verbindung zwischen Gelenkgehäuse und Verschlußring unveränderlich, so daß das Kugelgelenk unter Beibehaltung seiner eingestellten Eigenschaften in die zu verbindenden Bauteile eingebaut werden kann. Ein Nachjustieren erübrigt sich.

In einer besonderen Ausführungsform besteht zwischen dem Gelenkgehäuse und der oberen Lagerschale die feste Verbindung als Stoff-, Form- oder Kraftschluß.

Zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit und/oder Verschmutzungen ist zwischen dem Gelenkgehäuse und/oder dem Verschlußring einerseits und dem Gelenkzapfen andererseits ein elastisches Abdichtelement angeordnet.

Die Verankerungselemente an der Innenfläche des zylindrischen Abschnitts des Gelenkgehäuses und an der Außenfläche des zylindrischen Abschnittes des Verschlußringes sind in Form von Rastelementen oder Gewinden ausgebildet. Diese Rastelemente dienen in erster Linie der Fixierung des Verschlußrings im Gelenkgehäuse bis zur dauerhaften kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung beider Bauteile. Als Stoffschluß wird dabei bevorzugt das Verschweißen ohne Zusatz von Schweißzusatzwerkstoffen verstanden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die oberen und die unteren Lagerschalen mehrlagig, vorzugsweise als Kombinationen von Materialien mit unterschiedlichem E-Modul, ausgebildet. Bevorzugt ist die jeweils kugelferne Schalenschicht elastisch federnd, dämpfend, nachstellend und/oder toleranzausgleichend ausgebildet. Dagegen ist die kugelnahe Schalenschicht wenigstens mit einer harten und Verschleißfesten Oberfläche ausgestattet.

Als dauerhafte kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Gelenkgehäuse und dem Verschlußring ist eine Laserschweißnaht angeordnet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt vor allem darin, daß nun eine technische Lösung verfügbar ist, mit deren Hilfe komplette Kugelgelenke mit wählbaren voreinstellbaren Gelenkeigenschaften als universell einsetzbare Baugruppen herstellbar sind, für deren Komplettmontage Spezialwerkzeuge zum Einstellen der Vorspannkräfte in Verbindung mit Prüfungsvorgängen zur Qualitätsüberwachung der Gelenkeigenschaften nicht mehr erforderlich sind.

Die Gelenke sind in einer Lebensdauerschmierung ausgestattet, so daß sie auch als wartungsfrei bezeichnet werden können. Die Herstellung kann in großen Stückzahlen sehr kostengünstig erfolgen, wobei bei Verwendung zu unterschiedlichen gelenkigen Verbindungsaufgaben nicht zu einer Beeinträchtigung der Gelenkeigenschaften führt.

Das Gelenkgehäuse erfüllt neben der Stützfunktion auch eine Sicherheitsfunktion, insbesondere gegen den Verschleiß von Gelenkbauteilen in der Hauptbelastungsrichtung.

Die Erfindung soll nachstehend mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In der beigefügten Zeichnung zeigen
1 den schematischen Schnitt eines Kugelgelenkzapfens, dessen Gelenkkugel zwischen einem Gelenkgehäuse und einem Verschlußring verspannt ist,
2 die schematische Schnittdarstellung des mehrlagigen Aufbaus der Lagerschale.
Ausführungsbeispiel:
Gemäß der 1 und 2 besteht ein Kugelgelenk für den Einsatz im Kraftfahrzeugbau aus einem Gelenkgehäuse 2, in dem eine obere Lagerschale 1 formschlüssig mit dem Gelenkgehäuse 2 verbunden ist.
Die obere Lagerschale 1 besteht aus einem Kompositwerkstoff, dessen kugelferne Schalenschicht 16 mit dämpfenden Eigenschaften und einem deutlich geringeren E-Modul als der Werkstoff des Gelenkgehäuses 2 ausgestattet ist. Dagegen ist die kugelnahe Schalenschicht 17 verschleißfest und mit größerer Härte als die kugelferne Schalenschicht 16 ausgebildet. Die obere Lagerschale 1 umfaßt die Gelenkkugel 3 annähernd bis zum Kugeläquator 4. Dort ist ein Dichtring 6 angeordnet, der den Zutritt von Verschmutzungen und Feuchtigkeit sowie den Austritt von Schmiermitteln, bezogen auf den Bereich zwischen Gelenkkugel 3 und oberer Lagerschale 1 verhindert. Der Dichtring 6 überbrückt den Bereich zwischen der Oberfläche der Gelenkkugel 3 und dem Gelenkgehäuse 2. Die Verformbarkeit des Dichtrings 6 gewährleistet, daß die in der kalottenförmig ausgebildeten Innenfläche des Verschlußrings 10 angeordnete untere Lagerschale 5 ebenfalls im Kontakt zum Dichtring 6 steht. Das Gelenkgehäuse 2 besitzt einen zylindrischen Teil 7, mit dem es über den Kugeläquator 4 hinaus reicht. An der Innenfläche 8 des zylindrischen Teils 7 des Gelenkgehäuses 2 sind Verankerungselemente 9 in Form eines metrischen Gewindes angeordnet. Die radiale Außenfläche 12 des Verschlußrings 10 besitzt dazu paßfähige Verankerungselemente 13. Der mit der Gelenkkugel 3 verbundene Gelenkzapfen 14 ragt durch den Verschlußring 10 hindurch. Nach Einstellung der Verspannung der Gelenkkugel 3 zwischen der im Gelenkgehäuse 2 angeordneten oberen Lagerschale 1 und der im Verschlußring 10 angeordneten unteren Lagerschale 5 wird zwischen dem Gelenkgehäuse 2 und dem Verschlußring 10 eine kraftschlüssige Verbindung 18 mittels Laserschweißung hergestellt. Anschließend wird die Gelenkkugel 3 vor dem Eintritt von Verschmutzungen und/oder Feuchtigkeit zusätzlich dadurch geschützt, daß zwischen dem Verschlußring 10 und dem Gelenkzapfen 14 ein Abdichtelement 15 in Form einer Dichtmanschette angebracht wird.
Das fertig hergestellte Kugelgelenk kann nun mit dem Gelenkgehäuse kraft- und/oder formschlüssig beispielsweise in einem Lenkerarm eingebaut werden, während der Gelenkzapfen 14 mit einer Radaufhängung verbunden wird. Ein Nachjustieren der Gelenkeigenschaften ist bei Verwendung dieses Kugelgelenkes nicht mehr erforderlich. Die Gelenkparameter werden während der Montage des Kugelgelenks nicht mehr verändert. Für unterschiedliche Verbindungsaufgaben können die Kugelgelenke mit unterschiedlichen Gelenkeigenschaften vorgefertigt werden.

1: obere Lagerschale
2: Gelenkgehäuse
3: Gelenkkugel
4: Kugeläquator
5: untere Lagerschale
6: Dichtring
7: zylindrischer Teil des Gelenkgehäuses 2
8: Innenfläche des zylindrischen Teil 7 des Gelenkgehäuses 2
9: Verankerungselement am Gelenkgehäuse 2
10: Verschlußring
11: Innenfläche des Verschlußrings 10
12: Außenfläche des Verschußrings 10
13: Verankerungselemente am Verschlußring 10
14: Gelenkzapfen
15: Abdichtelement
16: kugelferne Schalenschicht
17: kugelnahe Schalenschicht
18: kraftschlüssige Verbindung

Claims

Kugelgelenk, insbesondere für Fahrwerksteile von Kraftfahrzeugen, mit einem einseitig offenen Gelenkgehäuse, einer zwischen dem Gelenkgehäuse und der Gelenkkugel angeordneten Lagerschale, einem aus der Gehäuseöffnung herausragenden Gelenkzapfen mit einer in der wenigstens zweiteiligen Lagerschale gelagerten Gelenkkugel und wenigstens einem Abdichtelement zwischen Kugelzapfen und dem Gelenkgehäuse, wobei der Gelenkzapfen aus Stahl und die Lagerschale aus einem Werkstoff mit geringerem E-Modul besteht, sowie weiterhin einem die Gehäuseausnehmung des Gelenkgehäuses verschließenden und die darin eingeordnete Lagerschale im Gelenkgehäuse verspannenden Verschlußring, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lagerschale (1) mit dem Gelenkgehäuse (2) fest verbunden ist, daß die obere Lagerschale (1) an der Gelenkkugel (3) maximal bis zum Kugeläquator (4) angeordnet ist, daß am Kugeläquator (4) ein gleichzeitig die Toleranz zwischen der oberen und unteren Lagerschale (1, 5) ausgleichender Dichtring (6) zwischen Gelenkkugel (3) und Gelenkgehäuse (2) angeordnet ist, daß das Gelenkgehäuse (2) über den Kugeläquator (4) hinausragend angeordnet ist, daß der über den Kugeläquator (4) hinausragende Teil (7) des Gelenkgehäuses (2) zylindrisch ausgebildet ist, daß an der Innenfläche (8) des zylindrisch ausgebildeten Teils (7) des Gelenkgehäuses (2) Verankerungselemente (9) angeordnet sind, daß am Gelenkgehäuse (2) ein die Gelenkkugel (3) in der oberen Lagerschale (1) fixierender Verschlußring (10) angeordnet ist, daß mit der kalottenförmig ausgebildeten Innenfläche (11) des Verschlußringes (10) eine untere Lagerschale (5) fest verbunden ist, daß die Außenfläche (12) des Verschlußrings (10) wenigstens teilweise zylinderförmig ausgebildet ist, daß an der zylindrischen Außenfläche (12) des Verschlußrings (10) Verankerungselemente (13) angeordnet sind und daß zwischen Gelenkgehäuse (2) und Verschlußring (10) eine nach Einstellung der Gelenkvorspannung erfolgende kraftschlüssige Verbindung (18) angeordnet ist.
Kugelgelenk nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der oberen Lagerschale (1) und dem Gelenkgehäuse (2) ein Stoff-, Form- und/oder Kraftschluß besteht.
Kugelgelenk nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verschlußring (10) und dem Gelenkzapfen (14) ein elastisches Abdichtelement (15) angeordnet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (9) an der Innenfläche (8) des zylindrischen Abschnitts (7) des Gelenkgehäuses (2) Gewinde oder Rastelemente sind.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (13) an der Außenfläche (12) des zylindrischen Abschnitts des Verschlußrings (10) Gewinde oder Rastelemente sind.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der unteren Lagerschale (5) und dem Verschlußring (10) ein Stoff-, Form- und/oder Kraftschluß besteht.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lagerschale (1) und/oder die untere Lagerschale (5) mehrlagig, vorzugsweise als Kombination von Materialien mit unterschiedlichem E-Modul, ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrlagiger Lagerschalen (1, 5) die kugelferne Schalenschicht (16) elastisch federnd, dämpfend, nachstellend und/oder toleranzausgleichend ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrlagiger Lagerschalen (1, 5) die kugelnahe Schalenschicht (17) wenigstens mit einer harten und verschleißfesten Oberfläche ausgestattet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als kraftschlüssige Verbindung (18) zwischen Gelenkgehäuse (2) und Verschlußring (10) ein Form- und Stoffschluß oder ein Form- und Kraftschluß angeordnet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als form- und stoffschlüssige Verbindung (18) zwischen Gelenkgehäuse (2) und Verschlußring (10) eine Laserschweißnaht angeordnet ist.