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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere für eine Pendelstütze eines
Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kugelgelenke
der eingangs genannten Art kommen beispielsweise, jedoch keineswegs
ausschließlich,
in Pendelstützen
zum Einsatz, mit denen kräfte- beziehungsweise
drehmomentbedingtes Pendeln beispielsweise von Antrieben, Aggregaten
oder Fahrwerksteilen am Kraftfahrzeug unterbunden werden sollen.
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Ein
derartiges Kugelgelenk ist beispielsweise aus der
DE 4306006 A1 bekannt. Dieses
Kugelgelenk weist ein hohlzylinderförmiges Gelenkgehäuse auf,
in dessen Innenraum eine Lagerschale aus Kunststoff zur gleitbeweglichen
Aufnahme der auf einem Kugelzapfen angeordneten Gelenkkugel eingesetzt
ist. Die Lagerschale des in der genannten Schrift offenbarten Kugelgelenks
stützt
sich dabei in axialer Richtung des Gelenkgehäuses mittels zweier umlaufender
Ringbünde
an den Stirnseiten des Gelenkgehäuses
ab.
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Der
erste der beiden umlaufenden Ringbünde ist dabei bereits von vorneherein
an der Kunststofflagerschale angeformt, während der dem ersten Ringbund
gegenüberliegende
zweite Ringbund der Lagerschale bei dem bekannten Kugelgelenk aus
geometrischen Gründen
erst nach dem Einführen
der Lagerschale in das Gelenkgehäuse
des Kugelgelenks erzeugt werden kann.
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Mit
anderen Worten wird beim Zusammenbau des bekannten Kugelgelenks
die Lagerschale in das Gehäuse
eingesetzt, sodass sich der erste Ringbund an einer ersten Stirnfläche des
Gehäuses
abstützt.
Der in Bezug auf den ersten Ringbund auf der gegenüberliegenden
Gehäuseseite
angeordnete zweite Ringbund bzw. Ringkragen wird sodann mittels
eines Umformverfahrens erzeugt. Für das Umformen des Ringkragens
schlägt
die zitierte Druckschrift mechanische Rollverfahren oder Ultraschallumformung
vor.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass eine dergestalt ausgeführte Verankerung
der Kunststofflagerschale im Gelenkgehäuse den zunehmenden Anforderungen
an Belastbarkeit, Ausfallsicherheit und Witterungsbeständigkeit
bei gattungsgemäßen Kugelgelenken
oft nicht mehr gerecht wird. Dies ist insbesondere auf die Nachgiebigkeit
und den geringen Querschnitt des erst nach dem Zusammenbau des Kugelgelenks
durch Umformen erzeugten Ringkragens zurückzuführen.
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Denn
um die Erzeugung des Ringkragens durch Umformen überhaupt zu ermöglichen,
kann dieser lediglich eine verhältnismäßig geringe
Wandstärke
bzw. einen verhältnismäßig geringen
Materialquerschnitt aufweisen. Auch tritt durch das Umformen des
Kunststoffmaterials im Bereich des Ringkragens bereits eine örtlich begrenzte,
hohe Belastung des Kunststoffmaterials auf, was die Wahrscheinlichkeit
für Materialversagen
in diesem Bereich weiter erhöht.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass eine dergestalt mittels an- bzw.
umgeformtem Ringkragen im Gelenkgehäuse fixierte Kunststofflagerschale
die heute bestehenden Anforderungen an Kugelgelenke bezüglich Verdrehsicherung
der Lagerschale im Gelenkgehäuse,
sowie insbesondere bezüglich
Ausreiß-
und Ausdrücksicherheit
der Lagerschale in gehäuseaxialer
Richtung, oft nicht mehr dauerhaft erfüllen kann. Dies ist umso mehr
dann der Fall, wenn während
des Einsatzes derartiger Kugelgelenke weitere belastende Einflüsse wie
beispielsweise starke Vibrationen, aggressive Medien und/oder Abrasivstoffe
wie Sandpartikel auf das Kugelgelenk einwirken.
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Die
EP 0 703 373 B1 offenbart
des Weiteren ein Kugelgelenk mit einem hohlzylinderförmigen Gelenkgehäuse, in
dessen Innenraum eine Lagerschale einbringbar ist und in der die
Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnehmbar ist, wobei
die Lagerschale einen ersten Lagerschalenteil umfasst, der bis zur
Anlage eines am ersten Schalenteil angeordneten ersten Ringbundes
an einer ersten Stirnseite des Gelenkgehäuses in das Gelenkgehäuse einführbar ist.
Die Lagerschale umfasst einen zweiten Lagerschalenteil mit einem
weiteren Ringbund, der mit dem ersten Lagerschalenteil verbindbar
ist. Der weitere Ringbund kommt hierbei zur Anlage an der zweiten
Stirnseite des Gelenkgehäuses.
Zur Verbindung des ersten Lagerschalenteils mit dem zweiten Lagerschalenteil
greift eine am ersten Lagerschalenteil angeordneter ringförmiger umlaufender
Ringbund in eine komplementäre
Aufnahmenut, wobei die beiden Lagerschalenteile in dieser Lage mittels
beispielsweise einer Schweißverbindung
unlösbar
miteinander verbindbar sind.
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Mit
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Kugelgelenk zu schaffen, das die genannten Nachteile überwindet und
das insbesondere eine bedeutend verbesserte Verankerung der Kunststofflagerschale
im Gelenkgehäuse
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
Kugelgelenk gemäß der vorliegenden Erfindung
weist in an sich bekannter Weise ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gelenkgehäuse auf,
in dessen Innenraum eine Lagerschale anordenbar ist, welche wiederum
die Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnimmt. Das
Kugelgelenk zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerschale einerseits
einen ersten Schalenteil umfasst, der zunächst bis zur Anlage eines an
ihm angeordneten ersten Ringbundes an einer ersten Stirnseite des
Gelenkgehäuses
in das Gelenkgehäuse
eingeführt
wird. Andererseits umfasst die Lagerschale einen zweiten, einen
weiteren Ringbund aufweisenden Schalenteil, der mit dem ersten Schalenteil
verbindbar ist. Der weitere Ringbund kommt im montierten Zustand
an der zweiten Stirnseite des Gelenkgehäuses zur Anlage.
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Mit
anderen Worten bedeutet dies zunächst, dass
auf diese Weise nun auch der zweite, bisher durch Umformen eines
Kragenbereichs der Kunststofflagerschale zu erzeugende Ringbund
bereits bei der Urformung der Kunststofflagerschale an den zweiten
Schalenteil angeformt wird, und dabei einen seiner starken Belastung
entsprechenden Materialquerschnitt erhalten kann.
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Erfindungsgemäß stehen
die beiden verbundenen Schalenteile in gelenkgehäuseaxialer Richtung unter einer
Zugvorspannung. Auf diese Weise lässt sich eine besonders innige
Verbindung zwischen der Lagerschale aus Kunststoff und dem zumeist
aus Metall bestehenden Lagergehäuse
herstellen, die insbesondere eine weitaus höhere Beständigkeit gegenüber den
im Betrieb derartiger Kugelgelenke häufig auftretenden starken Vibrationen
aufweist.
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Durch
die Zugvorspannung der beiden Schalenteile gegeneinander wird auch
die bisher häufig
zu Problemen führende
Spaltbildung zwischen Kunststofflagerschale und Metallgehäuse des
Kugelgelenks im Bereich des Übergangs
zwischen Kunststoff und Metall eliminiert. Durch diese Spaltbildung
kam es bei den bekannten Kugelgelenken im Laufe des Betriebs oft
zum Eindringen von Umgebungsmedien und Abrasivstoffen zwischen die
Kunststofflagerschale und das Metallgehäuse des Kugelgelenks, wodurch
die Verbindung zwischen Lagerschale und Gelenkgehäuse oftmals
gelockert, weiter geschädigt und
schließlich
zerstört
werden konnte.
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Auf
welche Weise beim Zusammenbau des Kugelgelenks die beiden Schalenteile
miteinander verbunden werden, so dass die jeweiligen Ringbünde der
beiden Schalenteile an den entsprechenden Stirnseiten des Gelenkgehäuses zur
Anlage kommen, ist nicht bestimmend für das Wesen der Erfindung,
solange eine innige und feste Verbindung der beiden Schalenteile
gewährleistet
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden jedoch die beiden Schalenteile nach dem Einführen in
das Gelenkgehäuse
durch Ultraschallschweißen
oder durch Rotations-Reibschweißen
miteinander verbunden. Dies ist insbesondere insofern vorteilhaft,
als dadurch einerseits eine besonders feste Verbindung der beiden
Schalenteile untereinander erfolgt, und dass so andererseits unter
bestimmten Umständen
sogar ein und dasselbe Werkzeug sowohl für den Fügevorgang als auch für den Schweißvorgang
verwendet werden kann.
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Zur
weiteren Verbesserung der Festigkeit und Beständigkeit der Verbindung zwischen
Kunststofflagerschale und Metallgehäuse des Kugelgelenks ist es
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass der Außendurchmesser zumindest des
ersten Schalenteils der Lagerschale und der Innendurchmesser des Gelenkgehäuses eine
Presspassung bilden. Dadurch wird die Kraftübertragung und die Vibrationsbeständigkeit
im Bereich der Grenzfläche
zwischen dem Kunststoff der Lagerschale und der Metalloberfläche des
Gelenkgehäuses
verbessert, was sich in der Anwendung des Kugelgelenks durch weiter
verlängerte
Lebensdauer und erhöhte
Ausdrücksicherheit
bzw. Ausreißfestigkeit
bemerkbar macht.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Innenoberfläche und/oder zumindest eine
Stirnseite des Gelenkgehäuses
zumindest teilweise gekerbt oder keilverzahnt bzw. aufgerauht ist.
Dadurch lässt
sich die Festigkeit der Verbindung zwischen Kunststofflagerschale
und Gelenkgehäuse
weiter erhöhen,
da so einerseits bereits beim Einpressen der Kunststofflagerschale
in das Gelenkgehäuse,
andererseits jedoch insbesondere beim Verschweißen der beiden Lagerschalenteile
durch Einfließen
erweichten Kunststoffes in die rauhe Struktur bzw. Verzahnung an
der Innenoberfläche
des Gelenkgehäuses
eine innige form- bzw. stoffschlüssige
Verbindung zwischen Metall und Kunststoff erzeugt wird.
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Dadurch
werden unerwünschte
Rotationsbewegungen der Kunststofflagerschale um die Gehäuselängsachse
bzw. unerwünschte
Gleitbewegungen zwischen Kunststofflagerschale und Gelenkgehäuse in gehäuseaxialer
Richtung sicher unterbunden.
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Eine
noch weiter verbesserte Verbindung zwischen Kunststofflagerschale
und Gelenkgehäuse wird
erhalten, wenn, wie dies gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen ist, der Innenbereich des Gelenkgehäuses mit
einem Bindemittel, beispielsweise mit einem Klebstoff beschichtet bzw.
mit einem Haftmittler versehen ist.
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Durch
den Einsatz von Klebstoffen bzw. Haftmittlern lässt sich erreichen, dass die
zur Ablösung des
Kunststoffs der Lagerschale von der Metalloberfläche des Gelenkgehäuses notwendigen
Schälkräfte gleichgroß oder größer werden
als die Scher- bzw. Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials der Lagerschale
selbst. Ähnlich wie
bei den bekannten Gummi-Metall-Federelementen bedeutet dies, dass
die Kunststofflagerschale nahezu unlösbar und insbesondere absolut
vibrationsfest mit dem Gelenkgehäuse
verbunden wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
darstellender Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 in
Längsschnittdarstellung
ein Kugelgelenk einer Pendelstütze
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 in
schematischer Darstellung eine Ausführungsform des Kontaktbereichs
von Lagerschale und Gelenkgehäuse
eines Kugelgelenks; und
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3 in
einer der 2 entsprechenden Darstellung
eine weitere Ausführungsform
des Kontaktbereichs von Lagerschale und Gelenkgehäuse.
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In 1 ist
zunächst
einer der Endbereiche einer Pendelstütze 1 mit dem dort
angeordneten Kugelgelenk 2 dargestellt, wie es aus dem
Stand der Technik bekannt ist. Man erkennt das am Ende der Pendelstütze 1 angeordnete
Gelenkgehäuse 3,
in dem eine einstückige
Lagerschale 4 aus Kunststoff angeordnet ist. Ferner erkennt
man die in der Lagerschale 4 rotations- und schwenkbeweglich
gelagerte Gelenkkugel 5, die von einem Kugelzapfen 6 mit
Gewindeschaft 7 getragen wird. Gegen Umgebungseinflüsse abgedichtet
wird das Kugelgelenk durch den Gummibalg 8 und die einstückig an
der Lagerschale 4 angeformte Kappe 9.
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Ferner
geht aus 1 hervor, auf welche Weise nach
dem Stand der Technik die Lagerschale 4 mittels der beiden
an der Lagerschale 4 angeordneten umlaufenden Ringbünde 10, 11 im
Gelenkgehäuse 3 festgehalten
bzw. gegen Lockerung, insbesondere gegen axiale Verschiebung innerhalb
des Gelenkgehäuses 3 gesichert
wird. Anhand des zeichnungsbezogen oberen Ringbundes 10 ist
deutlich erkennbar, dass dieser gemäß dem Stand der Technik durch
Umformen erzeugte Ringbund 10 einen äußerst geringen Materialquerschnitt
bzw. eine äußerst geringe
Materialstärke
insbesondere in gehäuseaxialer
Richtung aufweist, was unvermeidlich durch den Umformprozess bedingt
ist.
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Dies
führt,
wie auch bereits eingangs beschrieben, zu der lediglich schwachen
Verankerungswirkung des Ringbundes 10 sowie zu einer geringen
Auspress- bzw. Ausreißfestigkeit
der Lagerschale 4 gegenüber
dem Gelenkgehäuse 3,
insbesondere bei einer zeichnungsbezogen nach unten weisenden Krafteinwirkung
auf den Kugelschaft 6, 7 bzw. die Gelenkkugel 5,
und damit auf die Lagerschale 4. Ferner können die
ebenfalls eingangs beschriebenen Nachteile wie geringe Vibrationsbeständigkeit und
Anfälligkeit
gegenüber
Umgebungseinflüssen, sowie
geringe Lebensdauer eines derartigen Kugelgelenks die Folge einer
derartigen Gestaltung des oberen Ringbundes sein.
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In 2 ist
in schematisch vereinfachter Darstellung eine Ausführungsform
für ein
Kugelgelenk, beispielsweise einer Pendelstütze, gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Gezeigt ist lediglich der hier interessierende Bereich
des Übergangs zwischen
Gelenkgehäuse 3 und
Lagerschale 4. Erkennbar ist der zweiteilige Aufbau der
Lagerschale 4 mit dem durch ein ursprünglich separates Bauteil 4b gebildeten
zeichnungsbezogen oberen Ringbund. Deutlich sichtbar ist, dass nun
auch der obere Ringbund 4b eine seiner Aufgabe entsprechende
entscheidend größere Wandstärke aufweist,
wodurch die Verankerungswirkung und Sicherheit gegen Ausreißen der
Lagerschale 4 aus dem Gelenkgehäuse 3 ebenso entscheidend
verbessert wird. Der Ringbund 4b wird mit dem Lagerschalenteil 4a nach
dem Einschieben bzw. Einpressen des Lagerschalenteiles 4a in
das Gelenkgehäuse 3 beispielsweise
mittels Rotations-Reibschweißen
verbunden, wodurch die in 2 sichtbare
Schweißnaht 12 entsteht.
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Durch
eine geeignete Verfahrensführung kann
beim Schweißvorgang
gleichzeitig dafür
gesorgt werden, dass nach Abschluss des Schweißens unterer Ringbund 11 und
oberer Ringbund 4b in Bezug auf das Gelenkgehäuse 3 unter
einer Vorspannung stehen und somit das Gelenkgehäuse 3 besonders fest
in die Lagerschale 4 eingebettet wird. Gegebenenfalls wird
zu diesem Zweck ein geeignetes, in der Zeichnung nicht dargestelltes
Hilfswerkzeug verwendet, mit dem insbesondere der zylindrische Bereich
der Lagerschale bei Bezugsziffer 4a während des Schweißvorgangs
sowie bis zur Erstarrung der Schweißschmelze im Schweißspalt 12 im
elastischen Bereich unter mechanische Zugspannung versetzt wird,
beispielsweise indem ein Anpressdruck auf den Kugelzapfen 6, 7 gegenüber dem
Gelenkgehäuse 3 ausgeübt wird.
Nach dem Entfernen des Hilfswerkzeugs bildet sich aufgrund der elastischen Rückfederung
des Kunststoffmaterials des Lagerschalenteiles 4a sodann
die gewünschte
Vorspannung in dem Lagerschalenteil 4a aus, die die Ringbünde 4b, 11 fest
und spaltfrei auf das Gelenkgehäuse 3 presst.
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Auf
diese Weise lässt
sich die unerwünschte, aufgrund
extrem unterschiedlicher Elastizitätsmoduln von Gehäusematerial
und Lagerschalenmaterial sowie aufgrund von Setzungs- und Ermüdungserscheinungen
des Kunststoffmaterials der Lagerschale auftretende Spaltbildung
zwischen den Außenrändern der
Ringbünde 4b, 11 und
den Stirnseite des Gelenkgehäuses 3 wirksam
und langfristig verhindern.
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In 3 ist
in ebenfalls schematisch vereinfachter Darstellung eine weitere
Ausführungsform der
Verbindung zwischen Lagerschale 4 und Gelenkgehäuse 3 eines
Kugelgelenks, beispielsweise für eine
Pendelstütze,
gezeigt. Dabei besteht die Lagerschale 4 wiederum aus zwei
Lagerschalenteilen 4a, 4c, die nach dem Einführen bzw.
Einpressen des ersten Lagerschalenteils 4a in das Gelenkgehäuse 3 miteinander
verbunden werden, wobei das zweite Schalenteil wiederum den oberen
Ringbund 4c bildet, und das Gelenkgehäuse 3 auf diese Weise
wieder fest zwischen den beiden Schultern bzw. Ringbünden 4c und 11 der
Lagerschale eingeschlossen wird. Die in 3 gezeigte
Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 2 insofern,
als die Verbindung zwischen zeichnungsbezogen unterem Lagerschalenteil 4a und
oberem Lagerschalenteil mit dem oberen Ringbund 4c bei
Bezugsziffer 13 mittels Ultraschallverschweißung erfolgt,
wozu die in 3 oberhalb des oberen Ringbundes 4c angedeutete
Schweißsonotrode 14 dient.
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In 3 ist
ferner noch eine an einer Kante des Gelenkgehäuses 3 angeordnete
Prägung
bzw. Verzahnung 15 angedeutet. Die Prägung bzw. Verzahnung 15 dient
der weiteren Verbesserung der Verankerungswirkung der Lagerschale 4a, 4c im
Gelenkgehäuse 3,
insbesondere der Erhöhung
der Sicherheit gegen unerwünschtes
Verdrehen der Lagerschale 4 gegenüber dem Gelenkgehäuse 3 im
Betrieb des Kugelgelenks. Damit wird wirksam verhindert, dass es
zu einem Ausschlagen der Lagerschale 4 im Gelenkgehäuse 3 kommt,
was zum frühzeitigen Versagen
des Kugelgelenks führen
kann.
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Die
Verankerungswirkung wird durch die Verzahnung 15 erhöht, indem
beim Verschweißen der
beiden Lagerschalenteile in der Schweißnaht bzw. im Schweißspalt 12 anfallendes
erweichtes Kunststoffmaterial aus dem Schweißspalt 12 aus- und
in die Verzahnung 15 eindringt, wodurch sich eine gegen
Verdrehen formschlüssige
Verbindung zwischen Lagerschale 4 und Gelenkgehäuse 3 ergibt.
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Im
Ergebnis wird deutlich, dass dank der Erfindung die Robustheit und
Lebensdauer von Kugelgelenken, insbesondere von Kugelgelenken für Pendelstützen, sowie
die Widerstandsfähigkeit
solcher Kugelgelenke gegenüber
Umgebungseinwirkungen ganz wesentlich erhöht werden kann. Auf diese Weise
können
dank der Erfindung die anwenderseitig ständig steigenden Anforderungen
an Kugelgelenke wieder problemlos erfüllt werden, ohne dass jedoch hierdurch
nennenswerte Kostensteigerungen in Herstellung und Montage der Kugelgelenke
entstehen.
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- 1
- Pendelstütze
- 2
- Kugelgelenk
- 3
- Gelenkgehäuse
- 4
- Lagerschale
- 4a
- Lagerschalenteil
- 4b
- oberer
Ringbund
- 4c
- oberer
Ringbund
- 5
- Gelenkkugel
- 6
- Kugelzapfen
- 7
- Gewindeschaft
- 8
- Gummibalg
- 9
- Kappe
- 10
- Ringbund
- 11
- Ringbund
- 12
- Schweißnaht
- 13
-
- 14
- Schweißsonotrode
- 15
- Verzahnung