-
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einer an einem Ende offenen
Gelenkpfanne, einem Kugelbolzen, dessen Kugelende sich in der Gelenkpfanne befindet
und dessen Schaft sich frei durch das offene Ende der Gelenkpfanne nach außen erstreckt,
und einer verformbaren Lagerschale zwischen dem Kugelende und der Innenfläche der
Gelenkpfanne, wobei diese ein Paar Innenflächen aufweist, von denen eine erste Fläche
sich vom offenen Ende und eine zweite, sich daran anschließende Fläche mit größerer
Neigung gegen das geschlossene Ende erstreckt.
-
Aus der französischen Patentschrift 1373 259 ist ein derartiges Kugelgelenk
bekannt, bei dem die erste Fläche der Lagerpfanne sich vom offenen Ende aus in Form
eines Zylinders erstreckt und bei der am äußeren Ende dieses Zylinders eine Aufnahmenut
für einen Halterungsring vorgesehen ist. Durch Umbördeln des Rands wird der Halterungsring
gemäß der Anordnung der Aufnahmenut eingedrückt. Es findet hier lediglich eine vorbestimmte
Zusammenpressung der Lagerschale statt. Die Lagerschale hat auch einen zylindrischen
Außenmantel: Aus der USA.-Patentschrift 3117 810 ist eine zylindrische Lagerschale
und eine zylindrische Lagerpfanne bekannt. Es sind hier zwei Ringe vorgesehen, die
jeweils in festen Höhen in den Nuten an den Enden der Lagerschale angeordnet sind.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen
Kugelgelenk die zentrierte Lage der Kugel zu verbessern und das Kugelgelenk derart
auszubilden, daß ein Verschleiß aufgeholt wird, so daß die Lebensdauer verlängert
wird.
-
Erfindungsgemäß wird dies durch die Kombination der folgenden Merkmale
erzielt: Die erste Innenfläche der Gelenkpfanne ist eben- -falls kugelstumpfförn-g,
und die Lagerschale besteht aus einem synthetischen Polymer mit elastomeren Eigenschaften;
insbesondere aus einem hochdichten linearen Polyäthylen und weist eine der konischen
Innenfläche der Gelenkpfanne entsprechende konische Außenfläche auf, und es ist
ein Druckring auf die Lagerschale in der- Gelenkpfanne aufgelegt, und dieser ist
durch den umgebördelten Rand der Gelenkpfanne gegen die Lagerschale gedrückt.
-
In vorteilhafter Weise wird hier eine Keilwirkung zwischen der Lagerschale
und der Lagerpfanneninnenfläche erzielt; und diese ermöglicht eine derartige Kompression
des dafür besonders geeigneten Lagerschalenmaterials, daß die Kugel zentriert gehalten
und ein Verschleiß augeholt wird. Der Ring kann ferner durch die Umbördelung beliebig
tief eingedrückt werden, so; daJ3 vorbestimmte Vorspannungen mit Vorteil einstellbar
sind.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckring der Endring
einer Dichtungsmanschette. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau.
-
Um die Lebensdauer weiter zu verlängern, kann i mit Vorteil die Lagerschale
an dem dem Schaft des Kugelbolzens gegenüberliegenden Ende eine Öffnung aufweisen,
und die Kugel kann einen Hohlraum und eine mit der Öffnung in -der Lagerschale fluchtende
Öffnung aufweisen. c Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine vertikale
Schnittansicht durch ein Kugelgelenk, F i g: 2 eine auseinandergezogene Darstellung
des Kugelgelenks in F i g. 1, die den Zusammenbau veranschaulicht, F i g. 3 einen
vergrößerten veitikalen Teilschnitt des Kugelgelenks der F i g. 1, F i g. 4 eine
Ansicht einer weiteren Ausführungsform und F i g: 5 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform.
-
Das Kugelgelenk 10 weist eine Gelenkpfanne 11 und: einen Kugelbolzen
12 auf: Die Gelenkpfanne 11 ist vorzugsweise einteilig mit einem massiven Schaft
112 ausgebildet. Die Innenfläche 13 der Gelenk-Pfanne 11 hat am oberen Ende 14 einen
größeren Durchmesser als am geschlossenen Boden 15. Die Innenfläche 13 ist zweiteilig,
und die erste Innenfläche 16 erstreckt sich vom offenen Ende 14 bis zu einer Tiefe,
die durch die Linie 18 bezeichnet ist, und daran schließt sich eine kegelstumpfförmige
zweite Innenfläche 17 an, die zum Boden 15 hin konvergiert. Die zweite: Innenfläche
17 weist eine größere Neigung nach innen zum Boden 15 hin auf. Anfangs (F i g. 2)
weist die erste Innenfläche 16 eine durchgehende Kegelstumpfform bis zum offenen
Ende 14 auf und ist nicht mit einer Hinterdrehung versehen.
-
Alle zum Herstellen der Innenflächen 16 und 17 der Gelenkpfanne 11
erforderlichen Bearbeitungsvorgänge können durch das offene Ende 14 hindurch durchgeführ
werden, d. h., vollständig von einer-Seite-der Gelenkpfanne aus.Die im Boden15 derGelenkpfannell
gezeigte axiale Vertiefung 19 dient als Führung für die Bearbeitungwerkzeuge, um
die Konzentrizität der Innenflächen 16 und 17 sicherzustellen. Der
Neigungsgrad der Innenflächen 16 und 17istnicht kritisch, sollte jedoch ausreichend
groß sein; um zu ermöglichen, daß alle Bearbeitungsvorgänge von der einen Seite,
d. h. von der offenen Seite aus, durchgeführt werden können.
-
Der Kugelbolzen 12 weist ein Kugelende 20 und einen Schaft 21 mit
einem Gewindeende 22 auf. Der Schaft 21 hat einen geraden, zylindrischen Abschnitt
23 mit einem Durchmesser D, der beträchtlich geringer ist als der Durchmesser des
offenen Endes 14 der Gelenkpfanne 11: über dem zylindrischen Schaftabschnitt 23
befindet sich ein kegelstumpfförmiger Schaftabschnitt 24, und dieser läuft bis etwa
zum Durchmesserdes zylindrischen Gewindeabschnitts 22 zusammen. Der kegelstumpfförmige
Abschnitt 24 kann in ein Auge eines Lenkgestänges 25 od. dgl. eingepreßt werden.
-
Das Kugelende 20 des Kugelbolzens 12 weist einen Hohlraum 26 auf,
der eine Öffnung 27 in der Wand des Kugelendes hat. Dieser Aufbau des Kugelbolzens
entsteht durch ein Kaltanstauchen des Metalls. Dieses Verfahren führt nicht nur
zu einem besseren Metallfluß und einer besseren Kornausrichtung mit wirksamerer
Steuerung der Größe des Kugelendes, sondern verringert auch das Gewicht des Kugelbolzens
und erzeugt einen Hohlraum 26 zur Aufnahme von Schmiermitteln.
-
Vor dem Einsetzen des Kugelbolzens in die Gelenkpfanne, wie es in
F i g. 2 gezeigt ist, wird eine Lagerschale 30 auf das Kugelende 20 des Kugelbolzens
12 aufgebracht. Diese Lagerschale 30 besteht vorzugsweise aus einem Polyolefinmaterial-
und insbesondere
aus einem Äthylen-Butylen-Copolymer-Harz oder
aus einem Polymer des Äthylens. Im Dichtebereich von 0,941 bis 0,965 ändert sich
der Kettenverzweigungsgrad der entsprechenden Harze von einer mittleren Verzweigung
für ein Polymer mit einer Dichte von 0,941 bis zu einem verzweigungsfreien Harz
mit einer Dichte von 0,965. Für die vorliegende Erfindung geeignete Polymere haben
eine Dichte von 0,93 bis 0,96, eine Zugfestigkeit von bis zu 420 kg/cm2, eine Dehnung
von bis zu 1200 °/o und einen Steifheitsmodul von bis zu 10 500 kg/cm2. Die verwendeten
Polyäthylenharze haben zusätzlich zu guten Antifriktionseigenschaften gummiähnliche
oder elastomerische Eigenschaften, so daß sie unter Druck verformt werden können,
um die Drucklast auf Flächen zu übertragen, mit denen das Harz in Berührung steht.
Gleichzeitig hat das Polyäthylenmaterial ausreichende Festigkeit und Starrheit,
wenn es als Lagermaterial in einer Gelenkbaugruppe verwendet wird, um zu verhindern,
daß der Kugelbolzen aus der Baugruppe unter der Wirkung von irgendwelchen Kräften
herausgezogen wird, die wahrscheinlich im Betrieb der Baugruppe entstehen.
-
Die Lagerschale 30 ist eine einteilige, vorgeformte Lagerschale mit
einer Außenfläche, die der Innenfläche der Gelenkpfanne entspricht. Die Lagerschale
30 weist eine konische Außenfläche 31 auf, die der ersten Innenfläche 16 entspricht
und eine geringere Neigung hat und eine Konusfläche 32 von wesentlich größerer Neigung,
die sich vom Ende 33 der Außenfläche 31 bis zum Boden 34 der Lagerschale erstreckt.
Dieser Boden 34 weist eine zylindrische öffnung 35 auf, die einen etwas größeren
Durchmesser hat als die Öffnung 27. Die Innenfläche 37 der Lagerschale 30 ist kugelsegmentförmig
und weist im wesentlichen denselben Krümmungsradius auf wie die äußere Fläche des
Kugelendes 20 und kann daher dieses Kugelende mit dichter Passung aufnehmen, wenn
dieses in .die Lagerschale 30 eingesetzt wird.
-
Beim Zusammenbau des Kugelbolzens mit der Gelenkpfanne 11 wird zuerst
das Kugelende 20 des Kugelbolzens 12 in die Lagerschale 30 soweit wie möglich eingesetzt,
wobei die elastischen Eigenschaften des Materials der Lagerschale 30 die notwendige
Dehnung des Halses der Lagerschale ermöglicht, um dieses Einsetzen durchzuführen.
Wenn die Lagerschale 30 sich eng um das Kugelende 20 des Kugelbolzens 12 herumgelegt
hat, wie es in F i g. 2 gezeigt ist, werden dann der Kugelbolzen und die Lagerschale
in die Gelenkpfanne 11 eingepreßt. Die Größe der beim Einpressen verwendeten Kraft
reicht aus, um den Gelenkpfanneninnenraum vollständig auszufüllen und eine dichte
Oberflächenberührung zwischen der Kugelsegmentfläche des Kugelendes 20 und der Oberfläche
37 der Lagerschale 30 hervorzurufen. Außerdem führt das Einpressen zu einer Restzusammenpressung
des Materials der Lagerschale 30.
-
In der nächsten Stufe des Zusammenbaues wird ein Ring 40 (F i g. 2)
über das Gewindeende des Kugelbolzens 12 geschoben, so daß er sich gegen die obere
Endfläche 41 der Lagerschale 30 anlegt. Danach wird die obere Kante 14 der Gelenkpfanne
11 nach innen umgebördelt, beispielsweise mittels eines umlaufenden Werkzeugs 43,
um eine ringförmige, nach innen gewölbte Schulter 44 (F i g. 1) zu bilden. Beim
Umbördeln der Schulter 44 wird diese radial nach innen über den Ring 40 gedrückt
und übt eine Druckkraft auf diesen aus; die auf die Lagerschale 30 übertragen wird.
Der entstehende Druck, der demjenigen überlagert wird, der durch das vorhergehende
Einpressen erzeugt wurde, ermöglicht jeden Grad einer Vorbelastung, der erforderlich
ist. Da die erste Innenfläche 16 keine Hinterdrehungen oder Nuten od. dgl: aufweist,
kann der Ring 40 bis zu einer gewünschten Tiefe frei in die Gelenkpfanne eindringen,
um die erforderliche Vorbelastung auf die Lagerbaugruppe durch das Umbördeln des
Rands 44 zu erzeugen. Gleichzeitig bietet die enge Anlage des Rings 40 an der ersten
Innenfläche 16 und am Rand 44 einen ausgezeichneten Widerstand gegen ein Herausziehen
des Kugelbolzens nach dem Zusammenbau.
-
Die Schmierung der sich relativ bewegenden Oberflächen zwischen der
Lagerschale 30 und dem Kugelende 20 des Kugelbolzens 12 kann vor dem endgültigen
Zusammenbau des Kugelgelenks vorgenommen werden. Sie wird am besten erreicht durch
Vorschmierung der inneren Kugelsegmentfläche 37 der Lagerschale 30 und anschließendes
Einpressen des Kugelendes 20 in die Lagerschale. Außerdem kann der Hohlraum 26 im
Kugelende 20 mit- einem Schmiermittel gefüllt werden, ehe das Kugelende in die Gelenkpfanne
11 eingesetzt wird.
-
Im zusammengebauten Zustand kann sich der Kugelbolzen 12 relativ zur
Gelenkpfanne 11 frei drehen oder verschwenken und hat auch einen beschränkten Grad
an Freiheit, sich wegen des Spiels C zwischen dem zylindrischen Abschnitt 23 des
Kugelbolzens und dem Ring 40 und dem nach innen gewölbten Rand 44 hin und her zu
bewegen. Der Durchmesser D des zylindrischen Abschnitts 23 ist beträchtlich kleiner
als der Innendurchmesser des Rings 40 oder des nach innen gewölbten Rands 44, um
jedes gewünschte Spiel zu ermöglichen. Um die Gelenkbaugruppe gegen Eintritt von
Fremdteilchen, Staub u. dgl. abzudichten, ist eine Dichtungsmanschette 60 (F i g:
1) vorgesehen. Die Dichtungsmanschette 60, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist,
ist eine Außenmanschette, die mit einem Aufschnapphals 61 versehen ist, der durch
einen inneren Metallring 62 verstärkt ist und der in eine schmale, ringförmige Nut
63 in der Außenfläche der Gelenkpfanne 11 einschnappt. Der durch den Ring verstärkte
Hals 61 der Dichtungsmanschette 60 ist ausreichend gefedert, damit der Hals in seine
Lage in der schmalen Nut 63 eingeschnappt und festgehalten bleibt. Die Dichtungsmanschette
60 besteht aus Gummi oder einem anderen elastomeren Material und ist ausreichend
dünnwandig, um ein Verbiegen unter der Druckkraft des Auges 25 zu ermöglichen. Außerdem
ist die Dichtungsmanschette 60 mit einem eingebetteten Federring 65 innerhalb einer
kleineren Öffnung 66 versehen, durch die sich der - Bolzen 12 erstreckt. Die Abmessungen
sind - derart, daß die Dichtungsmanschette 60 den zylindrischen Abschnitt 23 des
Bolzens dicht berührt, um eine Abdichtung zwischen der zylindrischen Oberfläche
und der Innenfläche der Öffnung 66 zu bewirken.
-
Statt der Außendichtungsmanschette kann auch eine Innendichtungsmanschette
verwendet werden, wie es in den F i g. 3, 4 oder 5 dargestellt ist. In F i g. 3
ist eine Dichtungsmanschette 70 mit einem ringförmigen, offenen Hals 71 dargestellt,
dessen Endfläche mit einem ringförmigen Abschlußglied 72 verbengen ist. Vor dem
Umbördeln des Rands 44 wird das ringförmige Abschlußglied 72 gegen die Ober
flache
des Rings 40 angelegt. `Der Rand 44 wird wird dann so umgebördelt, daß dieser
das ringförmige Abschlußglied 72 überdeckt und über den Ring 40 auf die Lagerschale
30 einen Druck ausübt.
-
Bei der Dichtungsmanschette in F i g. 4 ist der ringförmige, offene
Hals 75 der Dichtungsmanschette 76 direkt: mit einem Endring 77 verbunden, der dieselbe
Funktion erfüllt wie der Ring 40. Der obere Rand der Gelenkpfanne 11 wird einfach
umgebördelt und drückt den Endring 77 auf die Lagerschale 30.
-
Bei der in F i. g. 5 gezeigten Ausführungsform besteht die Dichtung
aus einem Ring 80 aus Gummi öder aus anderem elastomeren Material von beträchtlicher
Dicke, an dessen unterer Fläche 81 ein Endring 82 befestigt- ist. Ähnlich wie der
Endring 77 liegt der Endring 82 direkt an der oberen Endfläche der Lageschale
30. Der Dichtungsring 80 hat derartige Abmessungen, daß dieser den
zylindrischen Abschnitt 23 des Kugelbolzens fest aufnehmen und bei 83 abdichten
kann. Die: elastomeren Eigenschaften des Dichtungsrings 80 ermöglichen eine relative
Schwenkbewegung zwischen dem Kugelbolzen und der Gelenkpanne. Die gestrichelten
Linien 84 und 85, die sich von dem Ring 80 nach oben erstrecken, dienen lediglich
dazu, die Kontur eines Augenelements anzudeuten: Der Ring 80 bildet eine ausreichende
Abdichtung für die Baugruppe. Das Umbördeln des Rands der Gelenkpfanne erzeugt den
Ringflansch 44.