DE19738812A1

DE19738812A1 - Wälzgelagertes Kugelgelenk

Info

Publication number: DE19738812A1
Application number: DE19738812A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Bode
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1999-03-11
Also published as: WO1999013233A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem Bolzen, der ein Kugelelement trägt, das über in einem Käfig angeordnete Wälzkörper schwenkbar in einer zugeordneten kalottenförmigen Ausnehmung gehalten ist.

Hintergrund der Erfindung

Ein derartig gattungsgemäßes wälzgelagertes Kugelgelenk ist aus dem DE-GM 81 07 111 vorbekannt. Ein Bolzen ist mit einem kugelförmigen Element verbunden, das über eine Vielzahl kleiner Lagerkugeln in einer kalottenförmigen Ausnehmung schwenkbar aufgenommen ist, wobei die Lagerkugeln in einem Käfig angeordnet sind.

Solche Kugelgelenke finden im Bereich der Vorderradaufhängung von Automo bilen Verwendung. Der Nachteil dieser wälzgelagerten Kugelgelenke liegt einerseits darin, daß aufgrund der punktförmigen Berührungen von kugelförmi gen Element mit einer Vielzahl von kleinen Lagerkugeln hohe Hertz'sche Pressungen auftreten und andererseits Steifigkeit, Tragfähigkeit und vor allem Dämpfung kritisch sein können, da immer nur ein Punktkontakt vorliegt. Nun kann man zwar ein solch wälzgelagertes Kugelgelenk unter Vorspannung setzen, um die Steifigkeit zu verbessern. Eine erhöhte Vorspannung der Wälz körperführung führt jedoch zu einer größeren Grundverformung der Wälzkör per, woraus ein erhöhter Schwenkwiderstand resultiert. Darüber hinaus hat eine erhöhte Vorspannung keinerlei Einfluß auf die Dämpfung. Nun sind neben der Kraftfahrzeugindustrie aber auch Anwendungsfälle denkbar, wo es in starkem Maße gerade auf die Dämpfung ankommt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wälzgelagertes Kugelge lenk zu entwickeln, das einerseits leicht schwenkbar ist aber auch andererseits eine Dämpfungswirkung aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die radiale Ausdehnung von Kugelelement, Käfig und kalottenförmiger Ausnehmung so aufeinander abgestimmt ist, daß zwischen dem Käfig und der kalottenförmiger Ausnehmung und/oder zwischen dem Käfig und dem Kugelelement ein Spalt gebildet ist, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.

Dieser mit Flüssigkeit, vorzugsweise mit Öl gefüllte Spalt, der nach Anspruch 2 eine Größe von ≦ 10 µm aufweisen soll, sorgt nun einerseits für den ge wünschten Dämpfungseffekt des Kugelgelenks. Andererseits kann aber bei Einwirkung sehr hoher Kräfte auf das Kugelgelenk der Fall eintreten, daß der Käfig sowohl am Kugelelement als auch an der kalottenförmigen Ausnehmung direkt anliegt, d. h. der Spalt verschwindet und der Käfig trägt somit zusätzlich, d. h. die Steifigkeit und die Tragzahl des Kugelgelenks werden erheblich verbes sert. Dies hat zur Folge, daß das Kugelgelenk bei geringen Lasten und hohen Bewegungsgeschwindigkeiten sehr leichtgängig ist, gleichzeitig aber auch hohe Tragfähigkeit, Dämpfung und Steifigkeit aufweist, wenn die Last einen Grenz wert überschreitet, da in diesem Fall der Wälzlagerkäfig zusätzlich trägt.

Der Käfig kann dabei vielfältige konstruktive Gestaltungen aufweisen. So ist nach Anspruch 3 vorgesehen, daß der Käfig zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein Teil schalenartig als Halbkugel und ein zweiter Teil schalenartig als Halbkugel stumpf ausgebildet ist, wobei dieser im oberen Bereich des Kugelelements angeordnet ist, der mit dem Bolzen verbunden ist.

Nach Anspruch 4 soll der Käfig so gestaltet sein, daß er wiederum schalenartig als Halbkugelstumpf ausgebildet ist und im oberen Bereich des Kugelelements angeordnet ist, der mit dem Bolzen verbunden ist, während im unteren Bereich des Kugelelements die Wälzkörper ohne Käfig, d. h. vollkugelig angeordnet sind. Auf diese Weise wird verhindert, daß beim Schwenken des Bolzens die Wälzkörper aus dem Kugelgelenk herauswandern, so daß ein voller Schwenkbe reich bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Tragfähigkeit des Systems gegeben ist.

Eine andere Art der Käfiggestaltung geht aus Anspruch 5 hervor. Danach soll dieser aus einer Vielzahl von einzelnen Scheiben bestehen, die in einer Tasche je einen Wälzkörper aufnehmen und mit ihrer Umfangslinie aneinander anlie gen. Auch hier wird wiederum die gewünschte Dämpfung erzielt und darüber hinaus ermöglicht diese Art der Käfigausbildung als Scheibe durch ihre runde Form auch ein problemloses auf Lücke setzen, so daß möglichst viele Wälzkör per anordenbar sind.

Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 6 soll der Käfig aus einer Vielzahl von einzelnen Zwischenstücken bestehen, die gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnete Einbauchungen aufweisen, deren Kontur der Kontur der Wälzkörper entspricht.

Wie aus Anspruch 7 ersichtlich, kann der Käfig auch aus mehreren, eine Viel zahl von Wälzkörpern aufnehmenden Segmenten bestehen, die an ihren Außen kanten aneinander anliegen, so daß nahezu die gesamte Oberfläche des Kugel elements bedeckt ist. Zweckmäßigerweise ist in diesem Fall nach Anspruch 8 vorgesehen, daß die Segmente als Fünfecke ausgebildet sind.

Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, daß der Käfig aus einem hochtragfähigen gleitgeeigneten Kunst stoff gefertigt ist, der beim Aushärten schwindet, so daß der Dämpfungsspalt gebildet ist.

Dieser Käfig kann nach Anspruch 10 auch so gefertigt werden, daß er auf ein mit Übermaß versehenes Kugelelement gespritzt ist, so daß wiederum der Dämpfungsspalt gebildet ist, wenn das kleinere passende Kugelelement des Kugelgelenkes montiert wird.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 11 kann der Käfig aus Metall oder Keramik gefertigt sein. Zweckmäßigerweise wird man jedoch einem Kunststoff den Vorzug geben, da er durch Spritzgießen in jeder beliebigen Form unkompliziert herstellbar ist.

Schließlich geht aus Anspruch 12 hervor, daß die Wälzkörper nicht als Kugeln, sondern als tonnenförmige Profilrollen ausgebildet sein sollen, die in ihrem Mittelteil eine konkave Wälzfläche und an ihren äußeren Endbereichen konvexe Wälzflächen aufweisen, wobei deren Radien dem Radius des Kugelelements bzw. dem Radius der kalottenförmigen Ausnehmung entsprechen.

Durch diese tonnenförmigen Profilrollen wird eine Linienberührung zwischen diesen und Kugelelement bzw. kalottenförmige Ausnehmung erreicht, so daß die Steifigkeit und die Tragfähigkeit des wälzgelagerten Kugelgelenks nochmals entscheidend verbessert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 8 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk,

Fig. 3, 4 und 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Kugelgelenk mit unterschiedlich gestaltetem Käfig,

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Käfigsegment,

Fig. 7 einen Schnitt durch ein Käfigsegment entlang der Linie VII-VII in Fig. 6 und

Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung von tonnenförmigen Profil rollen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in den Fig. 1, 2 und 8 in einer Schnittdarstellung gezeigte erfindungs gemäße Kugelgelenk besteht aus den beiden Gehäuseteilen 1 und 2, die durch Befestigungselemente 3 entlang einer Trennebene 4 zusammengehalten sind und eine kalottenförmige Ausnehmung 5 begrenzen. In der kalottenförmigen Ausnehmung 5 ist ein Kugelelement 6 gehalten, das an seinem oberen Ende mit einem Bolzen 7 verbunden ist. Dieser Bolzen 7 ragt durch eine Ausnehmung 8 des Gehäuseteils 1 hindurch und kann so beliebig in drei Ebenen verschwenkt werden, wie in Fig. 1 angedeutet. Das Kugelelement 6 ist in der kalottenförmi gen Ausnehmung 5 über Wälzkörper gehalten, die als Profilrollen 9 oder als Lagerkugeln 10 ausgebildet sind, so daß zwischen Kugelelement 6 und kalotten förmiger Ausnehmung 5 ein Freiraum 11 gebildet ist. Um ein Herauswandern der Profilrollen 9 aus dem Freiraum 11 gemäß Fig. 8 während des Verschwen kens zu verhindern, ist dieser mit je einer Abdeckkappe 12 verschlossen, die an den Gehäuseteilen 1 und 2 befestigt ist.

Der Käfig zur Führung von Profilrolle 9 bzw. Lagerkugel 10 kann dabei ver schiedenartig gestaltet sein. Wie den Fig. 1 und 3 entnehmbar, ist der Käfig zweiteilig ausgebildet, d. h. er besteht aus einer schalenartigen Halbkugel 13 und einem schalenartigen Halbkugelstumpf 14, wobei letztgenannter im Bereich des Kugelelements 6 angeordnet ist, der mit dem Bolzen 7 verbunden ist. Anderenfalls würde eine Schwenkbewegung verhindert sein.

Der Unterschied zwischen Fig. 1 und Fig. 2 liegt darin, daß in letztgenannter nur ein schalenartiger Halbkugelstumpf 14 als Käfig im oberen Bereich des Freiraumes 11 eingesetzt ist, während die Lagerkugeln 10 im unteren Bereich ohne Käfig ihre Funktion erfüllen. Dies führt dazu, daß im unteren Bereich des Freiraumes 11 mehr Lagerkugeln 10 untergebracht werden können, während ein Herauswandern der Lagerkugeln 10 aus dem Kugelgelenk durch den Käfig in Form eines schalenartigen Halbkugelstumpfs 14 verhindert ist.

Eine weitere Ausgestaltung des Käfigs ist Fig. 4 entnehmbar. In diesem Fall setzt sich der Käfig aus einer Vielzahl von Zwischenstücken 15 zusammen, die gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnete Einbauchungen aufweisen, deren Kontur der Kontur der Wälzkörper, im speziellen Fall der Kontur der Lagerkugeln 10 entspricht. Oder anders ausgedrückt, ein einzelnes Zwischen stück 15 ist verteilt über seinen Umfang von mehreren Wälzkörpern allseitig umgeben.

Eine andere konstruktive Ausgestaltung des Käfigs ist den Fig. 5 und 8 entnehmbar. Dort setzt sich der Käfig aus einer Vielzahl von Scheiben 16 zusammen, die eine nicht näher bezeichnete Tasche zur Aufnahme einer Lagerkugel 10 bzw. zur Aufnahme einer Profilrolle 9 besitzen. Wie Fig. 8 weiter entnommen werden kann, sind die Profilrollen 9 in Taschen von Schei ben 16 untergebracht, die wiederum in verschiedenen Höhen entlang einer Umfangslinie des Kugelelements 6 einander berührend angeordnet sind. Dar unter bzw. darüber liegende Reihen von Profilrollen 9 sind dabei auf Lücke gesetzt, so daß die Unterbringung einer maximalen Anzahl von Wälzkörpern möglich ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 6 und 7 setzt sich der Käfig aus einer Vielzahl von Segmenten 17 zusammen, die mit Wälzkörper aufnehmenden Taschen versehen sind. Im speziellen Fall ist das Segment 17 als ein Fünfeck ausgebildet, so daß sichergestellt ist, daß nahezu die gesamte Oberfläche des Kugelelementes 6 mit Segmenten 17 bedeckt werden kann. Fig. 7 zeigt deutlich, daß die Krümmung der Segmente 17 dem Freiraum 11 bzw. dem Krümmungsradius des Kugelelementes 6 und dem Krümmungsradius der kalottenförmigen Ausnehmung 5 angepaßt werden muß. Dies trifft auch für alle anderen beschriebenen Käfigvarianten zu.

Die Gestaltung der Profilrollen 9 ist Fig. 9 entnehmbar. Wie dort gezeigt, weisen die Profilrollen 9 in ihrem Mittelteil eine konkave Wälzfläche 18 auf, die auf der Mantelfläche des Kugelelements 6 abwälzt. Dies bedeutet, daß der Radius R1 der nach innen gewölbten Wälzfläche 18 dem Radius R2 des Kugel elements entsprechen muß. Die Profilrollen 9 weisen außerdem an ihren äußeren Endbereichen je eine konvexe Wälzfläche 19 auf, die auf der Mantel fläche der kalottenförmigen Ausnehmung 5 abwälzen. Dies wiederum bedeutet, daß der Radius R3 der nach außen gewölbten Wälzfläche 19 dem Radius R4 der kalottenförmigen Ausnehmung 5 entsprechen muß. Auf diese Weise ist eine Linienberührung mit den bereits beschriebenen Vorteilen zwischen den Profil rollen 9 und dem Kugelelement 6 und der kalottenförmigen Ausnehmung 5 gegeben.

Das Wesen der Erfindung wird an dem Zwischenstück 15 gemäß Fig. 4 erläu tert, trifft aber auch für alle anderen Käfigausgestaltungen in Form von schalen artiger Halbkugel 13, schalenartigem Halbkugelstumpf 14, Scheibe 16 oder Segment 17 zu. Der Fig. 4 ist entnehmbar, daß die radiale Ausdehnung von Kugelelement 6, Zwischenstück 15 und kalottenförmiger Ausnehmung 5 so aufeinander abgestimmt ist, daß zwischen Zwischenstück 15 und kalottenförmi ger Ausnehmung 5 und zwischen Zwischenstück 15 und Kugelelement 6 je ein Dämpfungsspalt 20 gebildet ist. Wird dieser Spalt 20 nun mit Öl befüllt, so tritt die gewünschte Dämpfwirkung innerhalb des Kugelgelenks ein. Der Figur ist aber auch entnehmbar, daß es bei Auftreten von großen Belastungen dazu kommen kann, daß das Zwischenstück 15 zwischen Kugelelement 6 und Gehäuseteil 1 bzw. 2 eingespannt wird, d. h. eine tragende Funktion über nimmt.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuseteil

2

Gehäuseteil

3

Befestigungselement

4

Trennebene

5

kalottenförmige Ausnehmung

6

Kugelelement

7

Bolzen

8

Ausnehmung

9

Profilrolle

10

Lagerkugel

11

Freiraum

12

Abdeckkappe

13

schalenartige Halbkugel

14

schalenartiger Halbkugelstumpf

15

Zwischenstück

16

Scheibe

17

Segment

18

konkave Wälzfläche

19

konvexe Wälzfläche

20

Dämpfungsspalt
R1 Radius der Wälzfläche

18

R2 Radius des Kugelelements

6

R3 Radius der Wälzfläche

19

R4 Radius der kalottenförmigen Ausnehmung

5

Claims

1. Kugelgelenk mit einem Bolzen (7), der ein Kugelelement (6) trägt, das über in einem Käfig angeordnete Wälzkörper schwenkbar in einer zugeordneten kalottenförmigen Ausnehmung (5) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Ausdehnung von Kugelelement (6), Käfig (13, 14, 15, 16, 17) und kalottenförmiger Ausnehmung (5) so aufeinander abgestimmt ist, daß zwischen dem Käfig (13, 14, 15, 16, 17) und der kalottenförmigen Ausnehmung (5) und/oder zwischen dem Käfig (13,14, 15, 16, 17) und dem Kugelelement (6) ein Spalt (20) gebildet ist, der mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (20) eine Stärke von ≦ 10 µm aufweist.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein Teil schalenartig als Halbkugel (13) und ein zweiter Teil schalenartig als Halbkugelstumpf (14) ausgebildet ist, wobei dieser im oberen Bereich des Kugelelements (6) angeordnet ist, der mit dem Bolzen (7) verbunden ist.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig schalenartig als Halbkugelstumpf (14) ausgebildet ist und im oberen Bereich des Kugelelements (6) angeordnet ist, der mit dem Bolzen (7) verbunden ist, wäh rend im unteren Bereich des Kugelelements (6) die Wälzkörper (10) ohne Käfig, d. h. vollkugelig angeordnet sind.

5. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus einer Vielzahl von einzelnen Scheiben (16) besteht, die in einer Tasche je einen Wälzkörper (9, 10) aufnehmen und mit ihrer Umfangslinie aneinander an liegen.

6. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus einer Vielzahl von einzelnen Zwischenstücken (15) besteht, die gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnete Einbauchungen aufweisen, deren Kontur der Kontur der Wälzkörper (9) entspricht.

7. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus mehreren, eine Vielzahl von Wälzkörpern (10) aufnehmenden Segmenten (17) besteht, die an ihren Außenkanten aneinanderliegen, so daß nahezu die gesam te Oberfläche des Kugelelements (6) bedeckt ist.

8. Kugelgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (17) als Fünfecke ausgebildet sind.

9. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (13, 14, 15, 16, 17) aus einem hochtragfähigen gleitgeeigneten Kunststoff gefertigt ist, der beim Aushärten schwindet, so daß der Dämpfungsspalt (20) gebildet ist.

10. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (13, 14, 15, 16, 17) aus einem hochtragfähigen gleitgeeigneten Kunststoff gefertigt ist, der auf ein mit Übermaß versehenes Kugelelement gespritzt ist.

11. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (13, 14, 15, 16, 17) aus Metall oder Keramik gefertigt ist.

12. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkör per als tonnenförmige Profilrollen (9) ausgebildet sind, die in ihrem Mittelteil eine konkave Wälzfläche (18) und an ihren äußeren Endbereichen konvexe Wälzflächen (19) aufweisen, wobei deren Radien (R1, R3) dem Radius (R2) des Kugelelements (6) bzw. dem Radius (R4) der kalottenförmigen Ausnehmung (5) entsprechen.