-
Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk zur Aufnahme eines Kugelzapfens.
-
Derartige
Kugelgelenke kommen sowohl bei industriellen als auch bei fahrzeugtechnischen
Anwendungen zum Einsatz, wobei das Kugelgelenk an einem ersten Maschinen-
oder Fahrzeugteil befestigt ist. Ausgehend von einem in dem Kugelgelenk
aufgenommenen Kugelzapfen erstreckt sich in der Regel ein stangenförmiges Übertragungsteil,
das an einem zweiten Maschinen- oder Fahrzeugteil befestigt ist. Über das
Kugelgelenk mit der Gelenkanordnung und dem darin aufgenommenen
Kugelzapfen ist zwischen den beiden Maschinen- oder Fahrzeugteilen eine Übertragung
von Bewegungen und Kräften möglich.
-
Bekannte
Kugelgelenke weisen eine oder mehrere Tragschalen auf, die aus Kunststoffspritzguss
gefertigt sind. Dabei können
Tragschalen verschiedenartig aufgebaut sein. Sie sind bspw. geteilt oder
als Schnappschalen ausgebildet und werden üblicherweise mit dem Kugelzapfen
bei einer Herstellung formschlüssig
in ein Gehäuse
eingewalzt. Nach erfolgtem Einwalzen wird ein Schmierstoff zugefügt. Das
Kugelgelenk wird üblicherweise
mit einer Gummi- oder Kunststoffmanschette abgedichtet.
-
Bei
einem Betrieb des Kugelgelenks sind funktionelle Aspekte wie Spielfreiheit,
Reibmoment, Verschleiß und/oder
maximale Belastung von Bedeutung. Je nach Einsatzgebiet oder Art
einer Übertragung
von Kräften
oder Vermittlung von Bewegungen ist erforderlich, dass das Kugelgelenk
derart ausgebildet ist, dass zumindest einer der vorgenannten Aspekte
oder optional eine Kombination mehrerer dieser Aspekte, die untereinander
gewichtet sein können,
berücksichtigt
wird.
-
Bei
Kugelgelenken mit deutlichen Vorlasten wird eine Auslegung der Anforderungen
dahingehend vereinfacht, dass ein mäßiges Spiel während des
Betriebs nicht auffällt.
Bei Kugelgelenken ohne deutliche Vorlasten hingegen führt ein
Spiel sehr rasch zu Auffälligkeiten
im Betrieb. Dies macht sich bspw. durch Klopfgeräusche bemerkbar. Das Kugelgelenk
muss dann ausgetauscht werden. In diesem Fall ist die Spielfreiheit
des Kugelgelenks nur so lange gewährleistet, wie ein Verschleiß der Tragschale durch
eine Vorspannung oder einen Druck, der durch die materielle Zusammensetzung
der Tragschale bedingt ist, kompensiert wird. Hier kann sich ergeben, dass
bei Erreichen eines kritischen Spiels das Kugelgelenk auffällig wird
und ausgetauscht werden muss.
-
Eine
höhere
Vorspannung und dementsprechend ein höherer Druck innerhalb der Tragschale führt zu höheren Normalkräften und
damit zu vergrößerten Reibmomenten.
Deshalb weisen insbesondere unbelastete Kugelgelenke mit niedrigem
Reibmoment eine verkürzte
Lebensdauer auf.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, Kugelgelenke derart auszubilden, dass diese
mindestens einen funktionellen Aspekt oder eine Kombination verschiedener
funktioneller Aspekte optimal erfüllen und zugleich eine lange
Lebensdauer haben.
-
Hierzu
wird ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
-
Das
erfindungsgemäße Kugelgelenk
zur Aufnahme eines Kugelzapfens weist eine Schale mit mindestens
zwei Segmenten auf, wobei eines der mindestens zwei Segmente aus
einem ersten Werkstoff und ein weiteres der mindestens zwei Segmente aus
einem zweiten Werkstoff gefertigt ist. Demnach ist die Schale des
Kugelgelenks aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen ausgebildet.
Hierbei können
unterschiedliche Werkstoffkombinationen zur Anwendung kommen. Verschiedene
Aufgaben oder funktionelle Aspekte wie bspw. Spielfreiheit, Reibmoment,
Verschleiß,
Maximalbelastung und dergleichen, die das Kugelgelenk zu erfüllen hat,
werden erfindungsgemäß durch
die Segmente des Kugelgelenks unter entsprechend geeigneter Werkstoffwahl eines
oder mehrerer der Segmente berücksichtigt.
-
Je
nach Anwendungsfall, bei dem jeweils unterschiedliche Kombinationen
funktioneller Aspekte mit verschiedenartiger Gewichtung relevant
sind, kann eines der mindestens zwei Segmente der Schale durch entsprechende
Werkstoffwahl eine Funktionsweise des Kugelgelenkes optimieren und
zugleich einen Beitrag zur Verlängerung
der Lebensdauer dieses Kugelgelenks leisten. Entsprechend sind mehrere
Segmente des Kugelgelenks durch geeignete Abstimmung bezüglich der
Werkstoffwahl dieser Segmente dazu geeignet, die Funktionsfähigkeit
des Kugelgelenks zu verbessern. Erfindungsgemäß bietet sich somit die Möglichkeit,
dass das hinsichtlich einer Kombination von Werkstoffen modular zusammensetzbare
Kugelgelenk an konkrete Anforderungen oder Aufgaben angepasst werden
kann.
-
Hierbei
können
Segmente der Schale des Kugelgelenks aus Kunststoff oder Metall
gebildet sein. Selbstverständlich
sind auch Werkstoffkombinationen aus Metall oder Kunststoff denkbar.
Je nach Einsatz des Kugelgelenks bzw. der Aufgabe, die mindestens
einem der Segmente bzw. mehreren Segmenten der Schale des Kugelgelenks
zufällt
bzw. zufallen, ist bei der Werkstoffwahl zu beachten, dass das jeweilige
Segment oder die jeweiligen Segmente bspw. hinreichend elastisch
oder verschleißfest
ausgebildet ist bzw. sind. Die Werkstoffwahl für die mindestens zwei Segmente
kann auch derart vorgenommen werden, dass diese weitere als die
vorstehend genannten Bedingungen erfüllen. Bei entsprechender Eignung
können
für die
mindestens zwei Segmente auch andere Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen
als Kunststoff oder Metall sinnvoll sein.
-
In
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Segmente
der Schale des erfindungsgemäßen Kugelgelenks
als Tragschale oder Lagerschale ausgebildet ist. Dabei ist die Tragschale vorzugsweise
zur unmittelbaren Aufnahme eines Kugelzapfens ausgebildet. Die Lagerschale
ist zwischen der Tragschale und dem Gehäuse des Kugelgelenks angeordnet
und dient als stützende
Schicht für
die Tragschale. Außerdem
ist ein Einsatz weiterer Module denkbar, durch die spezielle Eigenschaften des
erfindungsgemäßen Kugelgelenks
begünstigt werden.
Auch eine geeignete Werkstoffwahl für das Gehäuse oder Gehäuseteile
des Kugelgelenkes kann anwendungsbedingt vorteilhaft sein. Erfindungsgemäß besteht
die Möglichkeit,
Segmente innerhalb der Tragschale und/oder der Lagerschale aus unterschiedlichen
Werkstoffen herzustellen.
-
Der
innerhalb der Tragschale aufgenommene bzw. angeordnete Kugelzapfen
mündet
in ein in der Regel stangenförmiges Übertragungselement. Eine
Hauptachse dieses Übertragungselements
wird auch als Hauptachse des Kugelzapfens bezeichnet. Wenn vorgesehen
ist, dass das Kugelgelenk mit sämtlichen
Segmenten sowie dem Gehäuse
an einem ersten Maschinen- oder Fahrzeugteil befestigt sein soll,
so ist das Übertragungselement
an einem zweiten Fahrzeug- oder Maschinenteil befestigt. Durch das
Kugelgelenk, den darin aufgenommenen Kugelzapfen sowie das Übertragungselement
ist eine Übertragung
von Kräften
oder Bewegungen zwischen den beiden Fahrzeug- oder Maschinenteilen möglich.
-
Je
nach konkreter Ausgestaltung der Erfindung kann die Tragschale des
Kugelgelenks aus mindestens zwei Segmenten ausgebildet sein. Dabei können die
mindestens zwei Segmente der Tragschale senkrecht zu der Hauptachse
des Kugelzapfens angeordnet sein. In diesem Fall ist mindestens eines
der Segmente der Tragschale bspw. als Tragring ausgebildet, die
den Kugelzapfen in horizontaler Richtung bezüglich des Gehäuses zumindest
bereichsweise umschließt
und dem Kugelzapfen somit einen ausreichenden Halt verleiht. Die
Tragschale ist in diesem Fall bezüglich des Kugelgelenks vorzugsweise
horizontal segmentiert bzw. unterteilt. In hierzu alternativer Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Segmente der Tragschalen
parallel zu einer Hauptachse des Kugelzapfens angeordnet sind, so
dass die Tragschale bezüglich
des Gehäuses
vertikal segmentiert bzw. unterteilt ist.
-
Laufeigenschaften
des Kugelgelenks werden dadurch positiv beeinflusst, dass zwischen
dem Kugelzapfen und der Tragschale ein Schmierstoff mit geeigneten
Schmiereigenschaften vorhanden ist. Ein derartiger Schmierstoff
kann bedarfsweise auch zwischen der Tragschale und der Lagerschale
vorhanden sein.
-
Ebenfalls
ist es möglich,
dass die Lagerschale aus mindestens zwei Segmenten, wie beispielsweise
einer Oberschale und/oder einer Unterschale, ausgebildet ist. In
diesem Fall ist die Lagerschale bevorzugt bezüglich des Gehäuses bzw.
des Kugelgelenks horizontal segmentiert bzw. unterteilt.
-
Des
Weiteren ist es möglich,
in dem Kugelgelenk ein Federpaket anzuordnen. Durch diese Maßnahme wird
dem Kugelgelenk insgesamt ein zusätzliches federndes Volumen
bereitgestellt. Je nach Anforderung kann dieses Federpaket hochelastisch ausgebildet
sein. Als Werkstoffe hierfür
kommen bspw. Kunststoffe in Frage. Allerdings kann das Federpaket
auch als eine metallische Feder, insbesondere eine Stahlfeder, ausgebildet
sein. Ebenfalls ist denkbar, das Federpaket aus einer Stahlfeder
zu fertigen, die bereichsweise, z. B. in Freiräumen, durch Kunststoff ergänzt ist.
-
In
Abhängigkeit
der funktionalen Vorgaben, die das erfindungsgemäße Kugelgelenk zu erfüllen hat,
können
für die
einzelnen Segmente der Schale individuell Werkstoffe ausgewählt werden.
Dabei ist es möglich,
jene Segmente der Schale, aus denen die Tragschale und/oder die
Lagerschale ausgebildet ist bzw. sind, aus denselben Werkstoffen
oder alternativ aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen. Ebenso
ist es möglich,
ein Segment der Tragschale und ein Segment der Lagerschale aus gleichen Werkstoffen
oder alternativ aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen. Außerdem besteht
die Möglichkeit,
ein Segment aus mehreren Werkstoffen zu fertigen.
-
Zur
Verbesserung der Spielfreiheit bietet sich beispielsweise an, eine
Federwirkung aus einer Elastizität
von Kunststoff als Trägerwerkstoff
für die
Lagerschale zu nutzen. Ein geringer Verschleiß wird durch eine hochverschleißfeste Tragschale
aus hartem Material, wie Metall oder entsprechend ausgebildetem
Kunststoff, begünstigt.
-
Für das Reibmoment
ist eine geeignete Werkstoffpaarung zwischen dem Kugelzapfen und dem
mindestens einen Segment der Tragschale sowie eine geeignete Wahl
des Schmierstoffs wesentlich. Eine nötige Federverspannung resultiert
beispielsweise aus einem Druck, der von einer Trag- und/oder Lagerschale
aus Kunststoff erzeugt wird.
-
Der
Verschleiß lässt sich
auch durch eine geeignete Materialpaarung zwischen dem Kugelzapfen dem
mindestens einen Segment der Tragschale verringern.
-
Es
kann zusätzlich
vorgesehen sein, eine hohe Elastizität des jeweils mindestens einen
Segments der Lager- bzw. Tragschale aus Kunststoff, ohne Rücksicht
auf Verschleiß,
und der Trag- bzw. Lagerschale
aus verschleißfestem
Werkstoff, ohne Rücksicht
auf Elastizität,
zu kombinieren. Hiermit ergeben sich neue funktionelle Aspekte,
bei denen eine verlängerte
Lebensdauer des Kugelgelenks gewährleistet
ist.
-
Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks
in schematischer Darstellung.
-
2 zeigt
ein Detail aus 1 aus einer anderen Perspektive.
-
3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks
in schematischer Darstellung.
-
4 zeigt
ein Detail aus 3 aus einer anderen Perspektive.
-
5 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Kugelgelenks
in schematischer Darstellung.
-
Das
in 1 gezeigte erfindungsgemäße Kugelgelenk 1 weist
als ein Segment eine Tragschale 102, und als ein weiteres
Segment eine Lagerschale 101, ein Gehäuse 13 sowie einen
Gehäuseabschluß 15 auf.
In dem Kugelgelenk 1 ist ein Kugelzapfen 7 mit
einem daran angeordneten Übertragungselement 9 mit
einer Hauptachse 11 aufgenommen.
-
2 zeigt
einzelne Komponenten der in 1 gezeigten
Anordnung von oben betrachtet. Aus dieser Darstellung geht hervor,
dass die Tragschale 102 des Kugelgelenks 1 wiederum insgesamt drei
Segmente 2, 3, 4 aufweist. Diese Segmente 2, 3, 4 sind
parallel zu einer Hauptachse 11 des in der Tragschale 102 aufgenommenen
Kugelzapfens 7 orientiert, d. h. die Tragschale 102 für den Kugelzapfen 7,
bestehend aus den drei Segmenten 2, 3, 4,
ist bezüglich
des Gehäuses 13 vertikal
segmentiert.
-
Während des
Betriebs wirken auf das Übertragungselement 9 und
auf das Kugelgelenk 1 sowohl parallel zu der Hauptachse 1 gerichtete
Längskräfte (Pfeil)
sowie senkrecht zu der Hauptachse 11 gerichtete Querkräfte (Pfeil).
Insbesondere bei Belastungen, die für das Kugelgelenk 1 durch
Querkräfte
verursacht werden, ist die in der 2 gezeigte Aufteilung
der Tragschale 102 in drei Segmente 2, 3, 4 in
vertikaler Anordnung bezüglich
des Kugelgelenks 1 von Vorteil.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
einzelne Segmente 2, 3, 4, 5 des
Kugelgelenks 1, also die drei Segmente 2, 3, 4 der
Tragschale 102 sowie das als Lagerschale 101 ausgebildete Segment 5,
aus unterschiedlichen Werkstoffen zu fertigen. Dabei ist das Segment
der Lagerschale 101 aus Kunststoff gefertigt, die Segmente 2, 3, 4 Tragschale 102 sind
aus Metall gefertigt. Mit den aus Metall ausgebildeten Segmenten 2, 3, 4 der
Tragschalen 102 wird ein Beitrag zur Erhöhung der
Stabilität
des Kugelgelenks 1 geleistet. Durch die Maßnahme,
das Segment 5 der Lagerschale 101 aus Kunststoff
auszubilden, wird gleichzeitig eine Elastizität des Kugelgelenks 1 erhöht.
-
Das
in der 3 gezeigte, zweite erfindungsgemäße Kugelgelenk 21 weist
eine bezüglich einer
Hauptachse 31 eines Kugelzapfens 27 in zwei Segmente 23, 24 senkrecht
segmentierte bzw. unterteilte Tragschale 104 auf. Sowohl
das obere als auch das untere Segment 23, 24 sind
hier als Tragringe ausgebildet, die horizontal zu einem Gehäuse 33 des Kugelgelenks 21 orientiert
sind.
-
4 zeigt
ein Detail des in 3 dargestellten Kugelgelenks 21 aus
einer um 90° gedrehten Perspektive.
Aus dieser Perspektive ist eine ringförmige Ausbildung des oberen
Segments 23 der Tragschale 104 erkennbar.
-
Das
Kugelgelenk 21 weist außerdem eine aus zwei Segmenten,
nämlich
eine aus einer Oberschale 26 und einer Unterschale 25,
zusammengesetzte Lagerschale 105 auf. Die Tragringe 23, 24 sowie
die Oberschale 26 und die Unterschale 25 sind innerhalb
eines Gehäuses 33 aufgenommen.
Dieses Gehäuse 33 ist
nach unten durch einen Gehäuseabschluss 35 abgeschlossen.
In dem Kugelgelenk 21 ist ein Kugelzapfen 27 aufgenommen.
In den Kugelzapfen 27 mündet
ein Übertragungselement 29 mit
der Hauptachse 31.
-
Auch
bei dem Kugelgelenk 21 ist erfindungsgemäß vorgesehen,
einzelne Segmente, der als Tragringe 23, 24 ausgebildeten Tragschale 104 sowie
der Oberschale 26 und der Unterschale 25, als Segmente
der Lagerschale 105 aus unterschiedlichen Werkstoffen auszubilden.
Zur Verbesserung der Elastizität
des Kugelgelenks 21 ist dabei vorgesehen, die Oberschale 26 und
die Unterschale 25 aus Kunststoff zu fertigen. Die beiden
Tragringe 23, 24, die insgesamt die Tragschale 104 zur
Aufnahme des Kugelzapfens 27 ausbilden, sind dagegen aus
Metall oder aus verschleißfestem
Kunststoff gefertigt, wodurch eine Stabilität des Kugelgelenks 21 erhöht wird.
-
Bei
dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kugelgelenks 21 ist
sowohl die Tragschale 104 in die beiden Tragringe 23, 24 als
auch die Lagerschale 105 in die Oberschale 26 und
die Unterschale 25 senkrecht zu der Hauptachse 31 des
Kugelzapfens 27 segmentiert bzw. aufgeteilt. D. h. bzgl. des
Kugelgelenks 27 oder des Gehäuses 33 sind diese
Segmente 23, 24, 25, 26 horizontal
orientiert. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn das Kugelgelenk 21 hauptsächlich durch
Längskräfte in Richtung des
Pfeils parallel zu der Hauptachse 31 beansprucht wird.
-
5 zeigt
ein drittes Kugelgelenk 41 mit weitgehend gleichen Komponenten
wie das in 3 gezeigte Kugelgelenk 21:
eine Tragschale 106, die als Segmente zwei Tragringen 43, 44 aufweist,
eine Oberschale 46 und eine Unterschale 45, als
Segmente einer Lagerschale 107, ein Gehäuse 53 und einen Gehäuseabschluss 55 als
zusätzliches
Gehäuseteil.
Außerdem
ist unterhalb eines Kugelzapfens 47 mit einem Übertragungselement 49 und
der Unterschale 45 innerhalb des Gehäuses 53 ein Federpaket 60 angeordnet.
-
Dieses
Federpaket 60, als weiteres Segment des erfindungsgemäßen Kugelgelenks 41,
zeichnet sich durch hohe Elastizität aus. Je nach Anforderungen
kann dieses Federpaket 60 als Teil einer elastischen Tragschale
aus Kunststoff gefertigt oder als eine Stahlfeder ausgebildet sein.
Auch eine Kombination aus Kunststoff mit einer Stahlfeder zur Bereitstellung
des Federpakets 60 ist denkbar.
-
Je
nach Einsatz des Kugelgelenks 41 können für die anderen Segmente, also
die Oberschale 46, die Unterschale 45 sowie die
beiden Tragringe 43, 44, zur Erziehung erfindungsgemäßer Vorteile geeignete
Werkstoffe gewählt
werden.