DE19943194C2

DE19943194C2 - Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kugelgelenk

Info

Publication number: DE19943194C2
Application number: DE19943194A
Authority: DE
Inventors: Martin Rechtien; Martin Wellerding
Original assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Current assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: EP1129299A1; DE19943194A1; WO2001018412A1; JP2003508702A; US6592284B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes nach Anspruch 1 sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3.

Kugelgelenke werden in allen Bereichen des Maschinenbaus, insbesondere auch in der Kraftfahrzeugindustrie und hier insbesondere auf dem Fahrwerksektor, zahlreich eingesetzt. Derartige Gelenke bestehen allgemein aus einem Kugelzapfen mit einem Zapfenbereich und einer daran angeformten Gelenkkugel, wobei die Gelenkkugel in einer zweiteiligen Lagerschale aus elastischem Material und die Lagerschale wiederum in einem mit einem Gehäusedeckel verschlossenen Gehäuse aufgenommen sind.

Die Montage geht üblicherweise so vonstatten, daß das Kugelgelenkgehäuse nach dem Einführen des Kugelzapfens und der Lagerschalen durch den Gehäusedeckel dauerhaft verschlossen wird, indem der Deckel des Gehäuses mittels einer Verrollungseinrichtung durch Umlegen einer am Gehäuse angeordneten Gehäuserollkante dauerhaft festgelegt wird. Durch die Verrollung des Gehäusedeckels wird zwischen Lagerschale und Gelenkkugel eine Anpresskraft erzeugt, die eine Spielfreiheit zwischen diesen beiden gegeneinander beweglichen Bauteilen gewährleistet. Die während des Verrollungsvorganges erzeugte Anpresskraft bestimmt somit wesentlich das Maß der Leichtgängigkeit der Bewegung des Kugelzapfens gegenüber der Lagerschale.

Die Erfahrung zeigt, daß die auf die eingangs geschilderte Art hergestellten Kugelgelenke eine relativ große Streuung bezüglich der für eine Drehung oder Kippung des Kugelzapfens notwendigen Kräfte und Momente aufweisen. Um die Nachteile unterschiedlicher Leichtgängigkeit der Kugelgelenke herabzusetzen, ist es bei vielen Kugelgelenken üblich, diese im Rahmen eines Tempervorganges künstlich zu altern. Hierbei werden die Kugelgelenke über einen gewissen Zeitraum einer erhöhten Temperatur (ca. 60-80°C) ausgesetzt, um auf diese Weise innerhalb des Kugelgelenkes einen Abbau von Spannungsspitzen herbeizuführen.

Die DE 196 25 351 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes, bei dem ein Kugelzapfen mit einer daran angeformten Gelenkkugel in eine Lagerschale aus elastischem Material eingesetzt wird. Anschließend werden die Gelenkkugel und die Lagerschale gemeinsam in einen Einsatzring eingefügt, der ein Außengewinde aufweist, mittels dessen er derart in ein Innengewinde eines Gehäuses eingeschraubt wird, dass die Lagerschale gleichmäßig gegen die Gelenkkugel des Kugelzapfens gepreßt wird. Während des Einschraubens des Einsatzringes in das Gehäuse erfolgt eine permanente Erfassung der Reibwerte zwischen Lagerschale und Gelenkkugel durch Messung des Momentes zum Auslenken des Kugelzapfens oder des Momentes zum Verdrehen des Kugelzapfens um seine Mittenachse. Das Verfahren wird beendet, wenn ein vorher festgelegter Reibwert zwischen Lagerschale und Gelenkkugel erreicht wurde. Erst abschließend wird eine Gehäusekante umgeformt und damit der Einsatzring zusätzlich festgelegt.

Aus der DE 42 07 602 A1 ist ferner ein Kugelgelenk und dessen Herstellungsverfahren bekannt, bei dem die Gelenkkugel in einer Lagerschale gelagert ist. Die Lagerschale wird durch einen Einsatzring festgesetzt, der durch eine Verformung des Gehäuses gegen die Lagerschale gedrückt wird. Zum Verschluß des Gelenkgehäuses dienen Dichtungsbälge. Das Gelenkmoment unterliegt bei derartigen Kugelgelenken in Abhängigkeit von der Fertigungsgenauigkeit sehr starken Schwankungen.

Die DE 39 30 825 A1 betrifft ein Kugelgelenk, bei dem die Gelenkkugel in einer Lagerschale gelagert ist. Die Lagerschale wird durch einen Gehäusedeckel festgesetzt. Dieser ist in eine Gehäusenut eingelegt und mittels einer umgeformten Gehäusekante in dem Gelenkgehäuse befestigt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es technische Problemstellung der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes bereitzustellen, durch das bei den durch dieses Verfahren hergestellten Kugelgelenken ein konstant einstellbares Gelenkreibmoment zwischen den zueinander beweglichen Teilen des Kugelgelenkes nach dem Zusammenbau gewährleistet werden kann und das sich darüber hinaus in bereits bestehende Produktionslinien problemlos integrieren läßt.

Darüber hinaus liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Kugelgelenk zu schaffen, welches nach der Montage einen gleichbleibend niedrigen Reibwert aufweist, wobei sich die Erfindung auf alle herkömmlichen Bauweisen von Kugelgelenken erstreckt.

Gelöst werden diese technischen Problemstellungen hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich des Kugelgelenkes mit den Merkmalen des Patentanspruches 3. Spezielle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Merkmalen des Unteranspruches 2 enthalten. Spezielle bauliche Gegebenheiten des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 4 bis 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

Zunächst wird ein Kugelzapfen mit einem Zapfenbereich und einer daran angeformten Gelenkkugel in eine Lagerschale und diese wiederum durch eine Öffnung in ein Gelenkgehäuse eingesetzt, wobei die Öffnung des Gehäuses nach Einführen der Bauteile durch einen Deckel abgedeckt wird.

Danach wird der Zapfenbereich des Kugelzapfens in die Aufnahmevorrichtung einer Drehmoment-Messeinrichtung zur Erfassung des Gelenkmomentes zwischen Lagerschalen und Gelenkkugel eingesetzt.

Anschließend wird der Deckel des Gehäuses mittels einer Verrollungseinrichtung durch Umlegen einer am Gehäuse angeordneten Gehäuserollkante dauerhaft festgelegt, wobei während des Verrollungsvorganges das Gelenkdrehmoment kontinuierlich durch die Drehmoment-Messeinrichtung gemessen und mit einem voreinstellbaren Sollwert verglichen wird und wobei der Gehäusedeckel die Lagerschale in axialer Richtung gegen die Gelenkkugel verschiebt und eine Anpresskraft erzeugt, die durch ein Stützelement am Gehäusedeckel teilweise kompensiert wird. Bei Erreichen des Gelenkmomentsollwertes wird der Verrollungsprozess unmittelbar beendet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Kugelgelenke weisen gegenüber dem Stand der Technik einen engen Toleranzbereich bezüglich ihres Gelenkmomentes auf, wobei das Entlastungselement aufgrund seiner konstruktiven Gestaltung dazu beiträgt, die an der Drehmoment-Messeinrichtung voreingestellten Sollwerte durch definierte Verformung im Rahmen des Verrollungsvorganges zu erreichen.

Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, das Entlastungselement am Gehäusedeckel als umlaufenden Stützring zu gestalten, der sich an einer Kante des Gehäuses abstützt und einen Teil der im Rahmen des Verrollungsvorganges auf den Gehäusedeckel einwirkenden Kräfte direkt in das Gehäuse einleitet.

Als spezielle Ausgestaltungen der Drehmomentaufnahmevorrichtung sind beispielsweise am unteren freien Ende des Zapfenbereiches ein Innensechskant, eine Kegelaufnahme oder eine Gewindebohrung denkbar. Mit all diesen Ausgestaltungen ist eine zuverlässige Halterung in der Drehmoment-Messeinrichtung sowie eine ausreichende Drehmomentübertragung gewährleistet. Darüber hinaus ist die Fertigung eines Innensechskantes im Zapfenbereich des Kugelgelenkes auf kostengünstige Art und Weise möglich.

Das erfindungsgemäße Kugelgelenk besteht aus einem Kugelzapfen, der in an sich bekannter Weise einen Zapfenbereich und eine daran angeformte Gelenkkugel aufweist. Die Gelenkkugel ist in einer Lagerschale aus elastischem Material gelagert. Die Innenfläche der Lagerschale ist der Kontur der Gelenkkugel des Kugelzapfens angepaßt. Die Lagerschale kann außen eine zylindrische Mantelfläche aufweisen und besitzt an ihrer oberen dem Zapfenbereich abgewandten Seite eine Anlagefläche an den das Gehäuse verschließenden Gehäusedeckel. Dieser Gehäusedeckel weist erfindungsgemäß ein Entlastungselement zur teilweisen Übertragung der im Rahmen des Verrollungsvorganges des Gehäusedeckels auf tretenden Anpresskräfte auf das Gehäuse auf. Dieses Entlastungselement kann ein umlaufender Stützring sein, es ist jedoch auch ein separater Blechring zwischen Gehäuse und Gehäusedeckel denkbar sowie ein aus elastischem Material, vorzugsweise Gummi, gefertigter umlaufender Ring.

Die auf den Gehäusedeckel während des Verrollungsvorganges wirkenden Kräfte bewirken eine kontrollierte Verformung des Stützringes, so daß die zwischen der Anlagefläche der Lagerschale und dem Gehäusedeckel übertragenen Kräfte begrenzt werden und somit das durch eine axiale Verschiebung der Lagerschale während des Verrollungsvorganges erzeugte Reibmoment zwischen Innenseite der Lagerschale und Gelenkkugel begrenzbar wird.

Die Lagerschale kann erfindungsgemäß in Axiallängsrichtung des Kugelzapfens oder bevorzugt quer zur Axiallängsrichtung geteilt sein, was die Verschiebung der Lagerschale erheblich erleichtert und vorherbestimmbarer macht.

Am unteren freien Ende des Gelenkzapfens befindet sich zur Befestigung des Zap fenbereiches in einer Drehmomentmessvorrichtung eine Aufnahme, welche beispielsweise als Innensechskant, als Gewindebohrung oder Kegelsitz gestaltet sein kann.

Ein derartig gestaltetes Kugelgelenk ermöglicht es, unterschiedliche Lagerwerkstoffe für die Lagerschale zu verwenden und vermeidet durch die Ausbildung eines bei unterschiedlichen Kugelgelenken gleichbleibenden Gelenkmomentes während des Herstellungsvorganges eine nachgeschaltete Wärmebehandlung, bei der eine künstliche Alterung des Kugelgelenkes durch den Abbau von Spannungsspitzen innerhalb der Lagerschale herbeigeführt wird. Es ist selbstverständlich, daß die axiale Vorspannung zwischen Lagerschale und Gelenkkugel ein axiales Spiel dieser beiden Elemente zuverlässig ausschließt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk in Schnittdarstellung,

Fig. 2: eine vergrößerte Schnittdarstellung des Details A aus Fig. 1 und

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Erfindung.

Das Kugelgelenk in der Fig. 1 ist hierbei schematisch während des Herstellvorganges im Stadium der Verrollung des Gehäusedeckels mit dem Gehäuse gezeigt.

Das Kugelgelenk besteht aus einem Kugelzapfen 1, der in an sich bekannter Weise einen Zapfenbereich 1.1 und eine daran angeformte Gelenkkugel 1.2 aufweist. Der Kugelzapfen 1 ist mit seiner Gelenkkugel 1.2 in einer Lagerschale 2 aus einem elastischen Material gelagert, wobei die Lagerschale 2 aus einer unteren, dem Zapfenbereich 1.2 zugewandten Lagerschale 2.1 und einer oberen Lagerschale 2.2 besteht, wobei zwischen den beiden Lagerschalen ein wenn auch geringfügiger Abstand 2.3 in Richtung der Kugelzapfenlängsachse 1.3 besteht. Die Innenfläche der unteren und oberen Lagerschale 2.1 bzw. 2.2 ist der Kontur der Gelenkkugel 1.2 angepasst. Die Lagerschale 2 weist an der Außenkontur eine zylindrische Mantelfläche auf, mit der sie in einem Gehäuse 3 aufgenommen ist. Das Gehäuse 3 besitzt an seiner oberen, dem Zapfenbereich 1.1 abgewandten Seite eine Öffnung 4, durch die die verschiedenen Bauteile des Kugelgelenkes in das Gehäuse 3 eingesetzt werden. Nach dem Einsetzen wird die Öffnung 4 mit einem Gehäusedeckel 5 verschlossen. Dieser Gehäusedeckel 5 besitzt, wie dies aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 2 deutlich wird, einen umlaufenden Stützring 6, der in Kontakt mit einer umlaufenden Schulter 7 im Öffnungsbereich des Gehäuses 3 steht.

Konzentrisch zum Stützring 6 verläuft eine Anlagefläche 8, mit der der Gehäusedeckel 5 in Kontakt mit der Oberseite der oberen Lagerschale 2.2 steht.

Um den Gehäusedeckel 5 nach Einsetzen der Einzelteile des Kugelgelenkes im Gehäuse 3 festzusetzen, wird dieser durch Umlegen einer am Gehäuse 3 angeordneten Gehäuserollkante 9 mittels einer Verrollungseinrichtung, die durch den Rollstempel 10 in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist, festgelegt. Während des Verrollungsvorganges stützt sich das Gehäuse 3 des Kugelgelenkes auf einem Hubtisch 11 der Verrollungseinrichtung ab.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besitzt der Kugelzapfen 1 an seinem unteren freien Ende des Zapfenbereiches 1.1 eine Drehmomentaufnahmevorrichtung 12, die in dieser speziellen Ausführung als Innensechskant gestaltet ist. Für die Aufnahmevorrichtung 12 sind selbstverständlich auch andere Möglichkeiten der Realisierung, wie beispielsweise eine Kegelaufnahme oder eine Gewindebohrung, denkbar. Die Drehmomentaufnahmevorrichtung 12 dient zur Lagerung des Kugelzapfens 1 in einer hier nicht näher dargestellten üblichen Drehmomentmessvorrichtung.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dient diese Drehmomentmessvorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Gelenkmomentes des Kugelzapfens 1 zwischen Gelenkkugel 1.2 und Lagerschale 2 während des gesamten Verrollungsvorganges des Gehäusedeckels 5. Die Drehmomentmessvorrichtung wird vor Beginn des Verrollungsvorganges auf einen Gelenkmoment-Sollwert eingestellt. Während des Verrollungsvorganges wird zum einen der Stützring 6 des Gehäusedeckels 5 durch Pressung infolge des Rollvorganges gezielt verformt, um so einen Teil der aufgebrachten Verrollungskräfte aufzunehmen, gleichzeitig drückt der Gehäusedeckel 5 mit seiner Anlagefläche 8 auf die Oberseite der oberen Lagerschale 2.2 und verschiebt diese in Richtung der Kugelzapfenlängsachse. Durch diese axiale Verschiebung wird eine Anpresskraft zwischen der oberen Lagerschale 2.2 und der Gelenkkugel 1.2 erzeugt, die maßgeblich für das im Kugelgelenk auftretende Gelenkmoment ist. Sobald das gemessene Gelenkmoment mit dem eingestellten Sollwert an der Drehmoment-Messeinrichtung übereinstimmt, wird durch eine Regelelektronik der Hubtisch 11 durch eine schnelle Bewegung in Richtung des Pfeiles P in Fig. 1 verfahren, so daß die Gegenkraft zum Rollstempel 10 wegfällt. Durch diese Maßnahme wird der Anpressdruck zwischen dem Rollstempel 10 und der Gehäuserollkante 9 augenblicklich aufgehoben und ein weiteres Ansteigen des Gelenkmomentes zuverlässig ausgeschlossen.

In der Fig. 3 ist das beschriebene Verfahren noch einmal schematisch dargestellt, um den geschlossenen Regelkreis zu veranschaulichen. Die "Rolleinheit" stellt darin das zuvor als Rollstempel 10 bezeichnete Bauteil dar. Als Beispiel für eine "Vorrichtung zum schnellen Abtauchen des Gelenkes beim Erreichen des Solldrehmomentes" wurde vorstehend der Hubtisch 11 genannt. Die "mechanische Aufnahme zum Drehen des Zapfens" sowie die Drehmomentmeßdose und Zapfendrehvorrichtung" bilden gemeinsam die Drehmoment- Messeinrichtung, die permanent die vorgegebenen Sollwerte mit den Ist-Werten am Kugelgelenk vergleicht.

Auf diese Weise wird bei allen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kugelgelenken ein Gelenkmoment in Höhe eines voreingestellten Sollwertes erreicht, wobei sich das Verfahren durch eine geringe Fertigungstoleranz bezüglich der auftretenden Gelenkmomente auszeichnet. Ein Tempervorgang, im Rahmen dessen die hergestellten Kugelgelenke in einem weiteren Herstellungsschritt durch Abbau von Spannungsspitzen künstlich gealtert werden, erübrigt sich bei diesem Herstellungsverfahren, wodurch sich selbstverständlich die Herstellungskosten reduzieren.

Bezugszeichenliste

1

Kugelzapfen

1.1

Zapfenbereich

1.2

Gelenkkugel

1.3

Kugelzapfenlängsachse

2

Lagerschale

2.1

untere Lagerschale

2.2

obere Lagerschale

2.3

Abstand

3

Gehäuse

4

Öffnung

5

Gehäusedeckel

6

Stützelement

7

Schulter

8

Anlagefläche

9

Gehäuserollkante

10

Rollstempel

11

Hubtisch

12

Drehmomentaufnahmevorrichtung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes, bei dem

- zunächst ein Kugelzapfen (1) mit einem Zapfenbereich (1.1) und mit einer daran angeformten Gelenkkugel (1.2) in eine Lagerschale (2, 2.1, 2.2) und diese wiederum durch eine Öffnung (4) in ein Gelenkgehäuse (5) eingesetzt wird, wobei die Öffnung (4) des Gehäuses (3) nach Einführen der Bauteile durch einen Gehäusedeckel (5) verschlossen wird,
- danach der Zapfenbereich (1.1) des Kugelzapfens (1) in die Aufnahmevorrichtung einer Drehmoment-Messeinrichtung zur Erfassung des Gelenkmomentes zwischen Lagerschalen (2.1, 2.2) und Gelenkkugel (1.2) eingesetzt wird,
- anschließend der Gehäusedeckel (5) mittels einer Verrollungseinrichtung (10) durch Umlegen einer am Gehäuse (3) angeordneten Gehäuserollkante (9) dauerhaft festgelegt wird, wobei während des Verrollungsvorganges das Gelenkmoment kontinuierlich gemessen und mit einem voreinstellbaren Sollwert verglichen wird und wobei der Gehäusedeckel (5) die obere Lagerschale (2.2) in axialer Richtung gegen die Gelenkkugel (1.2) verschiebt und eine Anpresskraft erzeugt, die durch ein Stützelement (6) am Gehäusedeckel (5) teilweise kompensiert wird und bei Erreichen des Gelenkmomentsollwertes der Verrollungsprozess unmittelbar beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbare Beendigung des Verrollungsprozesses durch die Absetzbewegung eines an der Verrollungseinrichtung angeordneten Hubtisches (11) weg vom Verrollungswerkzeug (10) erfolgt.

3. Kugelgelenk, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 mit einem Kugelzapfen (1) mit einem Zapfenbereich (1.1) und einer daran angeformten Gelenkkugel (1.2), wobei die Gelenkkugel (1.2) in einer Lagerschale (2, 2.1, 2.2) aus elastischem Material und die Lagerschale (2)in einen mit einem Gehäusedeckel (5) verschlossenen Gehäuse (3) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusedeckel (5) ein Stützelement (6) zur teilweisen Übertragung der im Rahmen des Verrollungsvorganges des Gehäusedeckels (5) auftretenden Anpresskräfte auf das Gehäuse (3) aufweist und daß der Zapfenbereich (1.1) an seinem der Gelenkkugel (1.2) abgewandten freien Ende eine Drehmomentaufnahmevorrichtung (12) aufweist.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (2, 2.1, 2.2) geteilt ist.

5. Kugelgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (2, 2.1, 2.2) in Axiallängsrichtung oder quer zur Axiallängsrichtung des Kugelzapfens (1) geteilt ist.

6. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentaufnahmevorrichtung (12) als Innensechskant gestaltet ist.

7. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentaufnahmevorrichtung (12) als Gewindebohrung gestaltet ist.

8. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (6) am Gehäusedeckel (5) als umlaufender Stützring gestaltet ist.

9. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekenzeichnet, daß das Stützelement (6) am Gehäusedeckel (5) als separater Blechring zwischen Gehäuse (3) und Gehäusedeckel (5) angeordnet ist.

10. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (6) am Gehäusedeckel (5) als umlaufender Ring aus dauerelastischem Material, vorzugsweise Gummi, gestaltet ist.