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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, bestehend aus mindestens einem
zumindest einseitig offenem Gelenkgehäuse und einer Gelenkkugel,
die innerhalb einer Lagerschale beweglich gelagert ist und einem
Verschlusselement, das die Lagerschale mit Gelenkkugel mittelbar
oder unmittelbar zumindest im Gelenkgehäuse fixieren kann.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Kugelgelenkes.
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Ein ähnlich aufgebautes
Kugelgelenk, das beispielsweise an einem Querlenker eines Kraftfahrzeuges
eingesetzt werden kann, wird bereits in der Patentschrift
DE 41 02 863 C1 der
Anmelderin beschrieben.
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Bei
einem solchen Kugelgelenk ist es wünschenswert, dass die Gelenkkugel
bezüglich
der Lagerschale und des Gelenkgehäuses mit Hilfe von geringen
Drehmomenten drehbar ist. Hierzu sollten die Reibungskräfte zwischen
der Gelenkkugel und der Lagerschale möglichst gering sein. Aus diesem Grund
werden an diese Bauteile eines Kugelgelenkes hinsichtlich der Fertigungstoleranzen
sehr hohe Anforderungen gestellt. Dies erfordert bei der Fertigung
dieser Bauteile einen erheblichen Aufwand.
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Außerdem variiert
bei unterschiedlichen Temperaturen bedingt durch die Längenausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Materialien des Kugelgelenkes die Passungssituation.
Dies kann zum Beispiel bei hohen Belastungen des Kugelgelenkes,
beim Auftreten eines sogenannten Losbrechmomentes, zu einem unerwünschten
Lösen der
Lagerschale von dem Gelenkgehäuse
führen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Kugelgelenk zur Verfügung zu
stellen, das auch bei Temperaturschwankungen mit nahezu gleichbleibendem,
geringen Drehmoment drehbar ist und dessen Bauteile gleichzeitig
mit geringem Herstellungsaufwand gefertigt werden können. Des
weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren vorzustellen, das
es ermöglicht,
ein solches Kugelgelenk herzustellen.
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Diese
Aufgaben der Erfindung werden gegenständlich durch ein Kugelgelenk
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch den
Verfahrensanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Patentansprüche.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass zwischen der Gelenkkugel, der Lagerschale
und dem Gelenkgehäuse
je nach Temperatur und abhängig
von den Bauteiltoleranzen unterschiedlich hohe Kräfte, zum Beispiel
Reibungskräfte
und/oder Spannungskräfte, zwischen
den Bauteilen des Kugelgelenkes auftreten, die sich negativ auf
das Drehmoment auswirken. Dieses Drehmoment, das notwendig ist,
um die Gelenkkugel bezüglich
des Gelenkgehäuses
zu verdrehen, sollte möglichst
gering sein. Weiterhin ist es möglich,
zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse auftretende Kräfte, wie
zum Beispiel Zug- und Schubspannungskräfte, aufgrund materialspezifischer
Ausdehnungskoeffizienten aber auch auftretender Deviationsmomente,
zu kompensieren.
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Demgemäss wird
vorgeschlagen, ein Kugelgelenk bestehend aus mindestens einem zumindest einseitig
offenem Gelenkgehäuse
und einer Gelenkkugel, die innerhalb einer Lagerschale beweglich
gelagert ist und einem Verschlusselement, das die Lagerschale mittelbar
oder unmittelbar zumindest im Gelenkgehäuse fixieren kann, dahingehend
zu verbessern, dass zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse Ausgleichsmittel
angeordnet sind, die auftretende Verspannungen zwischen Lagerschale
und Gelenkgehäuse
zumindest teilweise kompensieren.
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Durch
die Ausgleichsmittel zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse können nachfolgend
aufgezählte
Vorteile erreicht werden.
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Es
können
beispielsweise Fertigungstoleranzen der Bauteile des Kugelgelenkes
ausgeglichen werden. So konnte es bei einem bekannten Kugelgelenk
bisher vorkommen, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen der Lagerschale
und/oder des Gelenkgehäuses
Passungsungenauigkeiten beim Zusammenfügen dieser Bauteile auftraten.
Es musste dann entweder die Lagerschale und/oder das Gelenkgehäuse nachgearbeitet
werden, um diese Bauteile bei der Montage zusammenfügen zu können. Durch
die Ausgleichsmittel werden solche Fertigungstoleranzen durch eine
Deformation der Ausgleichsmittel kompensiert. Hierdurch ist eine
Nachbearbeitung zumindest wesentlich vereinfacht oder die Nachbearbeitung
dieser Bauteile kann insgesamt entfallen.
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Ein
weiterer Vorteil, der sich durch die Ausgleichsmittel ergibt, ist,
dass Verspannungen und Spielunterschiede zwischen den Bauteilen,
die aufgrund unterschiedlicher Materialausdehnungskoeffizienten
auftreten, ausgeglichen werden können.
So können
die Ausgleichsmittel vorgespannt zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse eingeführt werden. Dehnt
sich ein bestimmtes Bauteil des Kugelgelenkes bei einer Temperaturänderung
stärker
aus als ein benachbartes Bauteil, so kann diese Längenausdehnung
durch das Ausgleichsmittel kompensiert werden.
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Außerdem können die
bisher auftretenden plastischen Verformungen der Lagerschale, aufgrund zu
hoher Krafteinwirkungen, vermieden werden, da die Ausgleichsmittel
in der Lage sind, solche Energien zum Beispiel durch elastische
Deformation zu absorbieren.
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Es
ist günstig,
wenn die Ausgleichsmittel zumindest aus einem federnden Ring bestehen,
der, vorzugsweise abwechselnd, die Lagerschale und das Gelenkgehäuse kontaktiert.
Dieser Ring kann, nachdem die Lagerschale in das Gelenkgehäuse eingefügt wurde,
in einen Raum zwischen diesen Bauteilen eingeführt werden oder auf der Lagerschale vormontiert
werden. Je nach Abmessung des Zwischenraumes und der Anzahl der
abwechselnden Aus- und Einbuchtungen des Ringes sind die Vorspannungskraft
des Ringes und die Federkonstante des Ringes einstellbar. Die Vorspannungskraft
des Ringes und die Federkonstante des Ringes, die zur Kompensation
der im Kugelgelenk auftretenden Kraft dienen, können auch wie folgt variiert
werden: Die Ausgleichsmittel können
aus einem Metall und/oder einem Kunststoff und/oder einem elastischen
Material, vorzugsweise Gummi, bestehen. Durch die Wahl des Materials
kann aufgrund der verschiedenen Elastizitätskonstanten von Metall und
Kunststoff die Federkonstante der Ausgleichsmittel eingestellt werden.
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Weiterhin
können
die Ausgleichsmittel ein wellenförmiges
oder mehrfach trapezförmiges
Querschnittsprofil aufweisen. Durch diese Geometrieformen kann die
Vorspannung der Ausgleichsmittel eingestellt werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Ausgleichsmittel die Lagerschale und das Gelenkgehäuse berühren, aber
nicht fest mit diesen verbunden sind. Hierdurch wird ermöglicht,
dass bei sehr hohen Drehmomenten, zum Beispiel bei Losbrechmomenten,
sich die Lagerschale innerhalb des Gelenkgehäuses minimal dreht und am Ende
der Drehbewegung wieder durch die Ausgleichsmittel im Gelenkgehäuse befestigt wird.
Bei den bisherigen Kugelgelenken führten hohe Drehmomente zu einem
bleibenden Lösen
der Lagerschale innerhalb des Gehäuses. Die innerhalb des Gelenkgehäuses gelöste und
somit bewegliche Lagerschale konnte zu einem erhöhten Verschleiß der Lagerschale
durch Abrieb führen,
wodurch die Lebensdauer des Kugelgelenkes verkürzt wurde.
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Alternativ
zu der Ausführung
der Ausgleichsmittel, bei der die Ausgleichsmittel weder mit der
Lagerschale noch mit dem Gelenkgehäuse fest verbunden sind, können die
Ausgleichsmittel zumindest mit der Lagerschale fest verbunden sein.
Auch bei dieser Ausführung
wird bei hohen Drehmomenten eine minimale Drehung und anschließende Wiederbefestigung
der Lagerschale innerhalb des Gelenkgehäuses gewährleistet. Diese Ausführung lässt sich
zum Beispiel dadurch realisieren, dass die Lagerschale und die Ausgleichsmittel
aus einem einzigen Verbundwerkstück
bestehen, das in einem gemeinsamen Spritzgießvorgang hergestellt wird.
Es müssen so
keine zusätzlichen
Herstellungskosten für
separat herzustellende Ausgleichsmittel aufgewendet werden.
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Die
Ausgleichsmittel können
zumindest aus einem elastomeren Kunststoff bestehen. Werden die Ausgleichsmittel
zum Beispiel durch einen Gummiring gebildet, so kann hierdurch eine
besonders günstig
Variante realisiert werden.
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Um
die Lagerschale im Gelenkgehäuse
zumindest fixieren zu können,
ist es sinnvoll, wenn wenigstens ein Verschlusselement am Kugelgelenk
angebracht ist. Dieses Verschlusselement kann aus zumindest einer
Ultraschallschweißnaht
bestehen, die die Lagerschale und das Gelenkgehäuse zusammenhält.
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Aber
auch die Ausführung
des Verschlusselementes als ein Gelenkgehäusedeckel ist vorgesehen. Eine
formschlüssige
Verbindung kann beispielsweise durch einen Gehäuserandwulst, der zum Gehäusedeckel
verformt wird, erreicht werden.
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Entsprechend
dem neuen Kugelgelenk, wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines
Kugelgelenkes vorgestellt, bei dem eine Gelenkkugel, die innerhalb
einer Lagerschale beweglich gelagert ist, in ein zumindest einseitig
offenes Gelenkgehäuse
eingebracht wird und mindestens ein Verschlusselement mit dem Gelenkgehäuse formschlüssig verbunden
wird. Erfindungsgemäß werden
in dem neuen Verfahren zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse Ausgleichsmittel
eingefügt,
die auftretende Verspannungen zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse kompensieren.
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Besonders
einfach kann das Einfügen
der Ausgleichsmittel dadurch bewerkstelligt werden, indem zumindest
ein federnden Ring zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse eingeschoben
wird.
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In
einem Verfahrensschritt ist es vorgesehen, die Lagerschale und die
Ausgleichsmittel in einem gemeinsamen Spritzgießvorgang herzustellen und dieses
Bauteil in das Gelenkgehäuse
einzufügen.
Da in dieser Ausführung
die Ausgleichsmittel nicht durch zusätzliche Bauteile realisiert
werden, wird hierdurch ermöglicht,
ein Kugelgelenk herzustellen, das im Vergleich zu den bekannten
Kugelgelenken ohne Kostenmehraufwand gefertigt werden kann.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1: Ansicht auf eine spezielle
Ausführung eines
Ausgleichsmittels eines Kugelgelenkes und eine Prinzipskizze;
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2: Schnittansicht eines
Kugelgelenks mit Ausgleichmittel zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse;
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3: Schnittansicht eines
Kugelgelenks mit Ausgleichsmittel mit Gelenkgehäusedeckel;
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4: Kugelgelenk aus 3, jedoch sind Lagerschale
und Ausgleichsmittel ein Spritzgusskörper;
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5: Schnittansicht eines
Kugelgelenks mit besonderem Ausgleichsmittel;
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6: Schnittansicht einer
weiteren Ausführung
eines Kugelgelenks mit Ausgleichmittel;
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7: Schnittansicht eines
Kugelgelenks mit Ausgleichmittel und geclinchtem Ring;
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8: Schnittansicht der 7 aus einer anderen axial
gedrehten Richtung.
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Die 1 zeigt in der rechten Bildhälfte eine Ansicht
auf eine spezielle Ausführung
eines Ausgleichsmittels eines Kugelgelenkes. Dieses Ausgleichmittel
besteht aus einem radial federnden und wellenförmigen Ring 1, der
abwechselnd die Innenwand des Gelenkgehäuses 3.1 und die Außenwand 4.1 der
Lagerschale berührt
und zwischen Gelenkgehäuse
und Lagerschale eines Kugelgelenkes eingeführt wird. Dieser radial federnde
und wellenförmige Ring 1 hat
in der gezeigten Ausführung
einen sinusförmigen
Querschnitt, wobei aber auch trapez-, zick-zack- oder zahnförmige Querschnitte
denkbar sind.
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In
der linken Bildhälfte
in 1 werden durch Federelemente
und Pfeile die Federkonstanten 2 des radial federnden und
wellenförmigen
Rings 1 symbolisiert. Über
die Materialwahl und die Materialstärke und die Anzahl der Aus-
und Einbuchtungen des radial federnden und wellenförmigen Ringes 1 kann
die Federkonstante 2 variiert werden.
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Die 2 zeigt eine Schnittansicht
eines Kugelgelenkes 11 mit einem Ausgleichmittel zwischen Lagerschale 4 und
Gelenkgehäuse 3.
Das Kugelgelenk 11 ist folgendermaßen aufgebaut: Eine Gelenkkugel 6,
die vorzugsweise aus Metall gefertigt ist und die einen Zapfen 7 aufweist,
ist in eine Lagerschale 4 eingebettet. Diese Lagerschale 4 ist
meistens aus Kunststoff gefertigt. Die Gelenkkugel 6 ist
um die Achse 13, die durch den Zapfen 7 verläuft, drehbar und
bezüglich
dieser Achse 13 schwenkbar (durch Pfeile angedeutet). Die
Lagerschale 4 samt Kugelgelenk 6 befinden sich
innerhalb eines Gelenkgehäuses 3.
In dieser Ausführung
wird die Lagerschale 4 aus Kunststoff mit dem Gelenkgehäuse 3 durch
eine Ultraschallverschweißung 8 verbunden.
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Ein
solches Kugelgelenk 11 wird meistens dazu verwendet, Kräfte, die
in verschiedenen Richtungen am Kugelgelenk 11 angreifen,
zu übertragen. Hierbei
kann es zum Beispiel vorkommen, dass eine am Zapfen 7 angreifende
Kraft, die Gelenkkugel 6 gegen die Innenwandung der Lagerschale 4 drückt, wodurch
dann die anschließende
Drehbewegung der Gelenkkugel 6 in der Lagerschale 4 durch
Reibungskräfte
behindert wird. Durch die Reibung zwischen Gelenkkugel 6 und
Lagerschale 4 wird das Drehmoment zum Drehen der Gelenkkugel 6 innerhalb
der Lagerschale 4 erhöht.
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Um
radiale Kräfte
aufnehmen zu können
und Deviationsmomente kompensieren zu können, ist zwischen Lagerschale 4 und
Gelenkgehäuse 3 ein radial
federnder trapezförmiger
Ring 5 eingeführt. Dieser
Ring 5, der aus Federstahl besteht, hat sowohl umlaufend
um die Lagerschale 4 als auch senkrecht dazu (Ansicht in 2) ein trapezförmiges Querschnittprofil.
Treten nun Kräfte
unter einem bestimmten Winkel zur Achse 13 auf, so kann
durch geeignetes Einstellen der Federkonstante des Ringes 5,
die Lagerschale 4 innerhalb des Gelenkgehäuses 3 bewegt
werden, bevor die Gelenkkugel innerhalb der Lagerschale 4 reibt.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht
auf ein Kugelgelenk 11 mit Ausgleichsmittel, wie in 2. Im Unterschied dazu,
wird die Lagerschale 4, in der sich die Gelenkkugel 6 befindet,
nicht mit einer Verschweißung
im Gelenkgehäuse
fixiert. In 3 wird ein
Gelenkgehäusedeckel 9,
der in dieser Ausführung
unmittelbar an der Lagerschale 4 angreift, mit einer Umformkontur 10,
die durch Kaltverformung des Gelenkgehäuserandes entsteht, im Gelenkgehäuse 3 fixiert.
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Das
Gelenkgehäuse 3 weist
eine Nut 12 auf.
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Die 4 zeigt das Kugelgelenk 11 aus 3. Die Lagerschale 4.2 wird
auch hier mittels eines Gelenkgehäusedeckels 9 im Gelenkgehäuse 3 fixiert.
Im Unterschied zu 3 ist
hier das Ausgleichsmittel kein separates Bauteil, das in das Gelenkgehäuse 3 eingeführt wird.
In dieser besonderen Ausführung
ist das Ausgleichsmittel im Außenbereich
der Lagerschale 4.2 integriert. Diese besondere Lagerschale
mit integriertem radial federnden trapezförmigen Ring 4.2 kann,
wenn sie aus einem spritzbaren Kunststoff besteht, in einem Spritzgießvorgang gefertigt
werden.
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Die 5 zeigt eine Schnittansicht
eines Kugelgelenks 11 mit besonderem Ausgleichsmittel.
Zwischen der Lagerschale 4 aus Kunststoff und dem Gelenkgehäuse 3 aus
Metall ist ein Gummiring 1.1 aus einem elastomeren Kunststoff
eingefügt.
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Wird
ein solches Kugelgelenk 11 im Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges
eingesetzt, so können
im Außenbereich
Temperaturschwankungen auftreten. Diese Temperaturschwankungen führen bei
den unterschiedlichen Materialien der verschiedenen Bauteile des
Kugelgelenkes zu unterschiedliche Längenexpansionen und Längenkontraktionen.
Zwischen der Lagerschale 4 aus Kunststoff und dem Gelenkgehäuse 3 aus
Metall können
so Spannungen aufgrund unterschiedlicher Materialausdehnungskoeffizienten auftreten,
die zum Beispiel durch den Gummiring 1.1 ausgeglichen werden
können.
Hierzu wird der Gummiring 1.1 aus einem Material gefertigt,
das einen an die anderen Materialien angepassten Ausdehnungskoeffizienten
aufweist.
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Die 6 zeigt in einer Schnittansicht
eine weitere Ausführung
eines Kugelgelenks 11 mit Ausgleichmittel. In dieser Ausführung weist
der radial federnde trapezförmige
Ring 5 im unteren Bereich eine Randwulst 5.1 auf.
Der radial federnde trapezförmige Ring 5 wird
in ein Gelenkgehäuse 3 geschoben,
beziehungsweise das Gelenkgehäuse 3 wird
auf dem radial federnden trapezförmigem
Ring 5 aufgesetzt, bis der Rand des Gelenkgehäuses auf
der Randwulst 5.1 des radial federnden trapezförmigem Rings 5 anliegt.
Das Gelenkgehäuse 3 und
der radial federnde trapezförmige
Ring 5 können
dann beispielsweise mit einem konisch geformten Hilfswerkzeug auf
die Lagerschale 4 aufgeschoben werden. Die Umformung 4.3 der
Lagerschale bildet dann eine formschlüssige Verbindung zum radial
federnden trapezförmigen
Ring 5 und zum Gelenkgehäuse 3.
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Die 7 und 8 zeigen Schnittansichten einer besonderen
Ausführung
eines Kugelgelenkes 11, bei dem wirksam axiale Verdrehungen
zwischen Gelenkgehäuse
und Lagerschale 4 verhindert werden. Das Gelenkgehäuse besteht
in dieser Ausführung aus
einem geclinchten Ring 3.3.
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In
der unteren Hälfte
der 7 wird eine mögliche Ausgangsform
für einen
solchen geclinchten Ring 3.3 dargestellt. Der geclinchte
Ring 3.3 kann aus einem Blechstreifen 3.4 bestehen,
dessen beiden Enden 3.4.1 und 3.4.2 jeweils eine
besondere Verzahnung aufweisen. Wobei das erste Ende des Blechstreifens 3.4.1
komplementär
zum zweiten Ende des Blechstreifens 3.4.2 geformt ist.
Der Blechstreifen 3.4 kann um den radial federnden trapezförmigen Ring 5,
der bereits an der Lagerschale 4 anliegt, gebogen werden.
Das erste Ende 3.4.1 und das zweite Ende des Blechstreifens 3.4.2 werden
dann wie Puzzlestücke
zusammengesteckt und miteinander verbunden, was zum Beispiel durch
eine Löt- oder
Schweißnaht
erfolgen kann.
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Der
Blechstreifen 3.4 besitzt Ausbuchtungen 3.5.
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Die 8 zeigt das Kugelgelenk
aus der 7, in axialer
Richtung gedreht. Hierbei sind dann die Ausbuchtungen des Gelenkgehäuses 3.2 nicht mehr
zu sehen. In dieser gedrehten Ansicht sind die Einbuchtungen 4.4 der
Lagerschale 4 zu sehen, in die der radial federnde trapezförmige Ring 5 eingreift. Durch
die abwechselnden Ein- und Ausbuchtungen in der Lagerschale 4 und
im Gelenkgehäuse,
in die der radial federnde trapezförmige Ring 5 eingreift, wird
ein Verdrehen des Gelenkgehäuses
gegenüber der
Lagerschale verhindert.
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Insgesamt
wird also durch die Erfindung ein Kugelgelenk und ein Verfahren
zu dessen Herstellung zur Verfügung
gestellt, bei dem eine Gelenkkugel, die innerhalb einer Lagerschale
beweglich gelagert ist, in ein zumindest einseitig offenes Gelenkgehäuse eingebracht
und es wird mindestens ein Verschlusselement mit dem Gelenkgehäuse formschlüssig verbunden.
Erfindungsgemäß werden
zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse Ausgleichsmittel eingefügt, die
auftretende Kräfte
zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse kompensieren.
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Bei
diesem Kugelgelenk, das durch das neue Verfahren gefertigt wird,
bleibt das Drehmoment zum Bewegen der Gelenkkugel innerhalb der
Lagerschale auch bei Temperaturschwankungen nahezu gleich. Außerdem können die
Bauteile des Kugelgelenkes nun mit größerer Fertigungstoleranz hergestellt
werden, wodurch der Herstellungsaufwand für das Kugelgelenk sinkt.
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- 1
- radial
federnder wellenförmiger
Ring
- 1.1
- Gummiring
- 2
- Federkonstante
- 3
- Gelenkgehäuse
- 3.1
- Innenwand
des Gelenkgehäuses
- 3.2
- Ausbuchtung
des Gelenkgehäuses
- 3.3
- Geclinchter
Ring
- 3.4
- Blechstreifen
- 3.4.1
- Erstes
Ende des Blechstreifens
- 3.4.2
- Zweites
Ende des Blechstreifens
- 3.5
- Ausbuchtungen
im Blechstreifen
- 4
- Lagerschale
- 4.1
- Außenwand
der Lagerschale
- 4.2
- Lagerschale
mit integriertem radial federnder trapezförmiger Ring
- 4.3
- Umformung
der Lagerschale
- 4.4
- Einbuchtung
in der Lagerschale
- 5
- radial
federnder trapezförmiger
Ring
- 5.1
- Randwulst
des radial federnder trapezförmiger
Rings
- 6
- Gelenkkugel
- 7
- Zapfen
der Gelenkkugel
- 8
- Ultraschallverschweißung
- 9
- Gelenkgehäusedeckel
- 10
- Umformkontur
- 11
- Kugelgelenk
- 12
- Nut
- 13
- Achse