DE2223315A1

DE2223315A1 - Vorbelastetes kugelgelenk mit kunststofflagerschale

Info

Publication number: DE2223315A1
Application number: DE19722223315
Authority: DE
Inventors: Edward John Herbenar
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1971-08-05
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1973-02-15
Also published as: IT955430B; BR7203182D0; DE2223315C3; GB1336833A; CA947992A; DE2223315B2; JPS5340656B1; FR2151828A5; US3679248A

Description

TRW INC., 23 555 Euclid Avenue, Cleveland,

Ohio 44 117 /V. St. A.

Unser Zeichen: T 1220

Vorbelastetes Kugelgelenk mit Kunststofflagerschale

Die Erfindung betrifft ein vorbelastetes Kugelgelenk mit Kunstjstofflagerschale für Kraftfahrzeugsteuergestänge und Radaufhängungen, wobei dieses Kugelgelenk eine verbesserte Verschleißaufholfähigkeit hat, die diesem Kugelgelenk durch ein anfangs deformiertes Federglied erteilt wird, welches seinen nicht verformten zustand wieder annimmt, um Verschleiß aufzuholen, ohne daß dadurch das Drehmoment des Kugelgelenkes erhöht wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein vorbelastetes Kugelgelenk mit Kunststofflagerschale,.das einen örtlich deformierten HaI-terungsfederring aufweist, welcher seinen unverformten flachen Zustand wieder annimmt, wenn Verschleiß auftritt, um die Vorbelastung der Lagerschale an der Kugel aufrechtzuerhalten, ohne daß den Lagerflächen eine zusätzliche Reibung erteilt wird.

In den US-PatentSchriften 3 249 375, 3 389 927 und 3 413 023 sind verschiedene Formen von Kugelgelenken beschrieben, die vorbelastete Kunststofflagerschalen aufweisen, die ein konstantes Drehmoment und feste Kippzentren für die Kugelgelenke aufrechterhalten, die Verschleißaufholfähigkeit dieser Kugelgelenke wird dadurch verbessert, daß die Vorbelastung der Kunststoff-

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lagerschalen erhöht wird, jedoch wird durch eine derartige Erhöhung die Größe des Drehmomentes erhöht, die erforderlich ist, um den Kugelzapfen relativ zur Lagerschale zu drehen oder zu verschwenken.

Durch die Erfindung wird nunmehr eine zusätzliche Verschleißaufholkapazität für Kugelgelenke mit vorbelasteter Kunststofflagerschale geschaffen, wie beispielsweise für Kugelgelenke, wie sie in den vorstehenden US-Patentschriften beschrieben werden und zwar dadurch, daß ein Federring oder eine Federscheibe zwischen einem Ende der Kunststofflagerschale und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Lagerschale belastet wird und dann Teile des Gehäuses und des Ringes örtlich deformiert werden. Der deformierte Ring hat die Neigung, seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen. Da dieser jedoch durch die örtlich deformierten Abschnitte des Gehäuses gehalten wird, kann er dies nur dann tun, wenn zwischen den Gelenkteilen ein Verschleiß auftritt. Auf diese Weise wird eine fortlaufende Vorbelastung der Kunststofflagerschale aufrechterhalten, ohne daß die ursprüngliche Vorbelastung erhöht wird. Durch die Erfindung wird ein vorbelastetes Kugelgelenk mit Kunststofflagerschale geschaffen, welches eine verbesserte Verschleißaufholkapazität aufweist und eine große Lebensdauer, wobei ein anfangs eingestelltes Drehmoment und eine feste Verschwenkungsmitte für den Kugelzapfen aufrechterhalten werden.

Die Erfindung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf das Gelenk beschrieben werden, das in der US-Patentschrift 3 389 927 dargestellt ist. Es sei jedoch bemerkt, daß die Grundsätze der Erfindung ganz allgemein bei vorbelasteten Kugelgelenken mit Kunststofflagerschale verwendet werden können.

Es ist ein Ziel der Erfindung, die Verschleißaufholkapazität und die Lebensdauer von vorbelasteten Kugelgelenken mit Kunststoff lagerschale zu verbessern, wie sie in den US-Patentschriften 3 249 375, 3 389 927 und 3 413 023 beschrieben werden.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Verschleißaufholkapazität von vorbelasteten Kugelgelenken mit Kunststofflagerschale dadurch zu schaffen, daß örtliche Einpressungen in einem Kugelgelenkgehäuse vorgesehen werden und daß ein Federring darunter gelegt wird, der die Kunststofflagerschale belastet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Halterungsring im Gehäuse eines mit einer Kunststofflagerschale ausgerüsteten Kugelgelenkes zu schaffen und das Gehäuse und den Federring Örtlich zu deformieren, um eine kontinuierliche Belastung' auf der Kunststofflagerschale aufrechtzuerhalten, wenn ein Verschleiß zwischen den Gelenkteilen auftritt und zwar unter Verwendung der Hysteresiswirkung des Federringes, die bei dem Versuch entsteht, wieder seinen originalen nicht deformierten Zustand anzunehmen.

Ein spezielles Ziel der Erfindung ist es, ein Kugel golenk mit einer vorgeformten einteiligen Lagerschale aus verformbarem Kunststoffmaterial zu schaffen, welche um das Kugelende eines Kugelzapfens herum ausgebildet und in der Lagerschale zusammengepreßt wird, wobei ein Federhalterungsring über der Lagerschale liegt und wobei das offene Ende der Schale über den Ring umgedrückt oder umgebördelt wird, um die Lagerschale vorzubelasten, wobei dann Bereiche des umgebördelten Randes örtlich verformt werden, um Ausbuchtungen in dem Ring zu erzeugen, die auf die Lagerschale drücken, so daß, wenn die Lagerschale verschleißt, der Ring seinen ursprünglichen flachen Zustand wieder annimmt und die verformten Abschnitte des Gehäuses halten den Ring in der Höhe der eingedrückten Aussparungen, wodurch die Vorbelastung der Lagerschale fortgesetzt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Verschleißaufholkapazität eines Kugelgelenkes mit vorbelasteter Kunststofflagerschale zu verbessern, ohne daß dessen Widerstand gegen Verschwenken oder Drehen der Gelenkteile erhöht wird.

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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kugelgelenkes mit Gelenkpfanne und vorbelasteter Kunststofflagerschale,

Fig. 2 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht, genommen längs der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht, welche die Anfangsstufe der Vorbelastung des Gelenkes zeigt,

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. ¹I, welche, das lokale Eintreffen zeigt
und

Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig 5> welche die Verschleißaufholkapazität des verformten Federringes zeigt.

Das in den Fig. 1 und 2. dargestellte Kugelgelenk 10 weist eine Gehäusepfanne 11 aus Metall auf und einen Kugelzapfen 12, der ebenfalls aus Metall besteht. Das Gehäuse 11 weist einen geschlossenen Boden 13 und eine offene obere Seite 14 auf und ferner eine zylindrische Seitenwandung 15* die einen nach außen sich erstreckenden Flansch 16 hat, der sich um das obere Ende herum erstreckt. Ferner ist ein umgebördelter Rand 17 im offenen Ende 1*J vorgesehen. Eine leicht konische Bohrung 18 erstreckt sich vom offenen Ende l^l\ aus in das Gehäuse hinein zu einem spitzen oder flach konischen Abschnitt 19, der zu einer flachen mittleren Bodenwandung 20 hin konvergiert. Der zylindrische Abschnitt 15 des Gehäuses wird in das Augenende einer Zugstange, einer Radaufhängung o. dgl. im Gebrauch eingepreßt.

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Der Kugelzapfen 12 weist ein volles Kugelende 21 auf, welches im Gehäuse 11 liegt, wobei ein konischer Schaftabschnitt 22 vorgesehen ist, der sich frei durch das offene Ende 14 des Gehäuses hinaus erstreckt und der zu einem Zylinderende 23 hin konvergiert. Im Gebrauch sitzt der konische Abschnitt 22 des Schaftes in der konischen Aussparung eines Gestängeteiles oder eines Bauteiles einer Aufhängung und eine Mutter ist auf das Gewindeende 23 aufgeschraubt, um den konischen Abschnitt 22 mit der konischen Aufnahmebohrung zu verkeilen.

Eine Kunststofflagerschale 23 umgibt das Kugelende 21 des Zapfens und sitzt mit Preßsitz in dem Gehäuse 11 und liegt an der Bodenwandung 20 des Gehäuses an und endet innerhalb des offenen Endes.des Gehäuses. Diese Kunststofflagerschale 23 ist ein geformter Block aus einem Kunststoffmaterial, welches eine geringe Reibung hat, starr ist, jedoch etwas kompressibel und eine elastische Erhöhung aufweist. Geeignete Kunststoffmaterialien sind hochdichte Polyolefine, insbesondere hochdichte Polyäthylen-Materialien, wie sie beispielsweise von der Phillips Chemical Company unter dem Handelsnamen "Marlex" verkauft werden oder von der Firma DuPont Company unter dem Handelsnamen "Alathon" und von der Firma Celanese Plastics Company unter dem Handelsnamen "Fortiflex". Diese Kunststoffmaterialien weisen eine ausreichende Elastizität auf, um eine Änderung in ihrer vorgeformten Form aufzunehmen. Diese Materialien weisen jedoch eine elastische Erhöhung auf, um ihre vorgeformte Form wieder einnehmen zu können, und dadurch wird eine Verschleißaufholkapazität im Betrieb erzielt. Die Materialien sind verhältnismäßig steif, obwohl sie eine gewisse Kompressibilität aufweisen, so daß feste Schwenkmitten für den Kugelzapfen aufrechterhalten können.

Die geformte Lagerschale 23 weist eine Innenwandung 2H auf, die kleiner 13t als der Kugelkopf 21, so daß der Kunststoff über die Kugel aus einem freien Zustand herausgestreckt und

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vergrößert werden muß. Eine konische äußere Wandung 25 von größerem Durchmesser als dem der Wandung 3.8 des Gehäuses ist an der Lagerschale 23 vorgesehen, so daß die Lagerschale, wenn sie in die Lagerpfanne hineingedrückt wird, zusammengepreßt wird. Die Lagerschale weist ebenfalls eine konische Wandung 26 auf, die an den konischen Boden 19 des Gehäuses angepaßt ist und einen flachen Boden 27, der dem flachen Boden 20 des Gehäuses entspricht. Eine kleine Öffnung 28 erstreckt sich durch diesen Boden 27 der Lagerschale hindurch.

Die Oberseite der Lagerschale weist ein flaches Ende oder einen Rand 29 in einer Höhe auf, der unterhalb des offenen Endes des Gehäuses liegt, wenn die Lagerschale im Gehäuse sitzt. Diener Rand 29 weist eine erhebliche radiale Breite auf.

Ein Metallring 30 sitzt frei im offenen Ende des Gehäuses 11 und weist eine Öffnung 31 auf, die wesentlich größer ist als das breite Ende des konischen Schaftabschnittes 22, so daß sich diese Öffnung von diesem Abschnitt im Abstand befindet und ein freies Verschwenken des Zapfens im Ring möglich ist. Der Ring 30 ruht auf dem Rand 29 der Lagerschale 23. Der Ring 30 wird in das Gehäuse hineingedrückt, um eine vorbertimmte axiale Belastung der Lagerschale 23 zu erzeugen und zwar unabhängig von der Tiefe des Eindringens des Ringes in das Gehäuse, • um diese Belastung des Kunststoffes zu erzielen. Dann wird das offene Ende des Gehäuses über den Umfang des Ringes umgedrückt oder umgebördelt, wie es bei 17 gezeigt ist, um den Ring im Gehäuse zu verriegeln. Auf diec-e Weise wird die gewünschte Vorbelastung der Kunststofflagerschale 23 erzielt, wobei diese axial aus ihrem freien zustand heraus deformiert wird und hierbei werden Spannungen im Körper der Lagerschale erzielt und es wird ein gewünschtes Drehmoment am Kugelende des Zapfens aufrechterhalten. Wenn nun ein Verschleiß auftritt, hat die unter Spannungen stehende Lagerschale 23 die Neigung, ihre nicht vorge-

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spannte größere Form wieder anzunehmen und dadurch den Verschleiß aufzuholen, wobei die Gelenkteile in einem guten vorbelasteten Lagerkontakt miteinander gehalten werden.

Um die Verschleißaufholkapazxtät des Kugelgelenkes zu verbessern, besteht der Ring 30 aus einem Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und ist wärmebehandelt, um diese federartige Eigenschaften zu erteilen. Das ümbördeln des Randabschnittes 7 des Gehäuses ist örtlich an verschiedenen in Umfangsrichtung voneinander entfernten Stellen abgesetzt, um Einbuchtungen 32 zu erzeugen. Vier derartige Einbuchtungen 32 sind dargestellt, jedoch sei bemerkt, daß drei Einbuchtungen oder jede gewünschte Anzahl von Einbuchtungen oder Einpressungen verwendet werden kann. Diese Einbuchtungen werden mit einem Werkzeug erzeugt, dem eine ausreichende Kraft zugeführt wird, um örtlich den Halterungsrxngen in Bereichen 33, die unter den eingebuchteten· Abschnitten 32 liegen, zu verformen und um eine gewünschte zusätzliche Vorbelastung der Lagerschale 23 zu erzielen.

Wie Fig. Ί zeigt, wird der flache Halterungsring 30 zuerst in das Gehäuse 11 gegen die Lagerschale 23 eingedrückt und zwar mittels einer Belastung L-, die durch Pfeile dargestellt ist. Dann wird der Gehäuserand über den Umfang des Halterungsringes, wie es bei 17 gezeigt ist, umgewalzt, um diese Belastung L, auf der Lagerschale 23 aufrechtzuerhalten. Als Nächstes wird, wie Fig. 5 zeigt, der umgebördelte Abschnitt 17 örtlich eingedrückt, um Eindrückungen oder Einweihungen, wie sie bei 32 gezeigt sind, zu erzeugen. Diese Eindrückungen erzeugen Wellungen 33 im Ring 31 unter den eingedrückten Teilen 32 und diese Wellenabschnitte drücken in den oberen Rand 29 der Lagerschale 23 ein. Eine erhöhte Last Lp wird der Lagerschale 23 durch die deformierten Abschnitte 32 erteilt. Diese deformierten Abschnitte sind permanent und sind wirksam, um örtlich den normalen flachen Ring 30 zu deformieren, so daß dieser Ring eine Wellenform erhält, wodurch bewirkt wird, daß dieser in das Randende 29 der Kunststofflagerschale an den eingedrückten Bereichen hineingedrückt wird.

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Wenn ein Verschleiß der Lagerschale 23 auftritt und zwar nach langem Betrieb des Kugelgelenkes, nimmt, wie Fig. 6 zeigt, der Ring 30 seine originale flache Form, wie sie in Fig. ¹I gezeigt ist, wieder an. Da die eingedrückten'Abschnitte 32 verbleiben, wird jedoch der Ring in der Höhe der eingedrückten Abschnitte gehalten und bei der Wiedererlangung seines flachen Zustandes kann sich dieser Ring lediglich abwärts gegen die Lagerschale 23 bewegen, wodurch die Lagerschale 23 ihren dichten Sitz um das Kugelende 21 des Zapfens herum beibehält. Die Kraft Lp, die durch die eingedrückten Abschnitte 32 auf den Ring 30 ausgeübt wird, wird aufrechterhalten und über den flach gewordenen Ring auf die Lagerschale übertragen. Die Verschleißaufholkapazität, die durch die Strecke A zwischen den Pfeilen in Fig. 6 dargestellt ist, wird auf diese Weine geschaffen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung durch örtliche Deformationen eines federnden Halterungsringes eine zusätzliche Verschleißaufholkapazität und eine zusätzliche Lebensdauer für Kugelgelenke schafft, die eine vorbelastete Kunststofflagerschale haben.

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Claims

- 9 Patentansprüche

Vorbelastetes Kugelgelenk mit Kunststofflagerschale, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, einen Gelenkzapfen, dessen eines Ende im Gehäuse angeordnet ist, eine vorbelastete Kunststofflagerschale im Gehäuse, die dieses Ende des Zapfens umgibt, wobei diese Lagerschale aus einem anfangs freien Zustand heraus deformiert wird und eine elastische Erhöhung aufweist, um diesen Zustand wieder annehmen zu können, einen Federring zwischen der Lagerschale und dem Gehäuse, Einrichtungen am Gehäuse, die diesen Ring gegen die Lagerschale deformieren, wobei dieser deformierte Ring bestrebt ist, seinen freien Zustand wieder anzunehmen, wodurch eine zusätzliche Verschleißaufholkapazität für die vorgespannte Lagerschale erzielt wird.

2. Kugelgelenk mit einer vorbelasteten Kunststofflagerschale, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federring im Gehäuse auf die ' Kunststofflagerschale einwirkt, daß Einpressungen im Gehäuse diesen Federring zu einer Wellenform deformieren und daß dieser deformierte Wellenring in der Lage ist, seinen freien Zustand wieder einzunehmen, um die Verschleißaufholkapazität des Gelenkes zu verbessern.

3. Kugelgelenk, gekennzeichnet durch einen Zapfen, der ein Kugelende aufweist, eine starre, jedoch zusammenpreßbare Lagerschale, die dieses Kugelende derart umgibt, daß dieses kippbar und drehbar ist, ein starres Gehäuse, welches die Lagerschale umgibt und Einrichtungen am Gehäuse, welche die Lagerschale am Kugelende in dem Gehäuse vorbelasten, einen Federring im Gehäuse, zwischen diesen Einrichtungen und der Lagerschale, örtlich deformierte Abschnitte in den Einrichtungen, die eine Wellung in dem Ring ausbilden und den Ring in der niedergedrückten Höhe im Gehäuse halten, wenn der Ring in 3eine ur? sprüngliche Form bei einem Verschleiß zwischen dem Kugelende und der Lagerschale zurückkehrt.

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-ΙΟ-ί». Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die den Ring deformieren, Einpressungen in einem Rand des Gehäuses sind, der über dem Ring liegt.

5. Kugelgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einpressungen oder Einbuchtungen in ümfangsrichtung um den Rand des Gehäuses, der über dem Ring liegt, herum verteilt sind.

6. Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring unter einer ringförmigen Lippe des Gehäuses liegt, welche die deformierten Abschnitte aufweist, die in Ümfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind.

7. Kugelgelenk nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Pfanne ist, daß die Lagerschale innerhalb des offenen Endes dieser Pfanne endet, daß der Ring auf der Lagerschale im offenen Ende der Pfanne liegt, daß das offene Ende der Pfanne eine umgebogene Lippe aufweist, die gegen diesen Ring drückt und daß eingedrückte Abschnitte in der Lippe vorgesehen sind.

8. Verfahren zur Erhöhung der Verschleißaufholkapazität eines Kugelgelenkes mit einer vorbelasteten Kunststofflagerschale, wobei dieses Gelenk ein Gehäuse für die Kunststofflagerschale aufweist und einen Zapfen, der einen Teil hat, der von dieser Lagerschale umgeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federring im Gehäuse gegen die Lagerschale gepreßt wird, um die vorbestimmte Vorbelastung zu entwickeln, daß das Gehäuse über dem Ring verformt wird, um den Ring im Gehäuse in einer Höhe zu halten, in der die Vorbelastung aufrechterhalten wird, daß der deformierte Gehäuseabschnitt örtlich gegen den Federring eingepreßt wird, um diesen Federring in eine Wellenform zu verformen, wobei dieser Federring die Neigung hat, seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen, um einen Verschleiß zwischen dem Zapfen und der Lagerschale aufzuholen.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lippe am Gehäuse oberhalb des Federringes ausgebildet wird und daß die Lippe örtlich eingepreßt wird, um die Einpressungen auszubilden.

10. Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes mit einer vorbelasteten Kunststofflagerschale, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelende eines Kugelzapfens in eine Aussparung mit geringeren Abmessungen einer starren, jedoch kompressiblen Kunststofflagerschale eingepreßt wird, um diese Lagerschale um das Kugelende herum zu strecken, daß die Lagerschale, die das Kugelende enthält, in ein pfannenartiges Gehäuse nach innen von der offenen Mündung des Gehäuses aus gedrückt wird, daß ein Federring über der Lagerschale im Gehäuse angeordnet wird, daß die Mündung des pfannenartigen Gehäuses über den Federring umgedrückt wird, um diesen Federring in eingedrückter Stellung gegen die Lagerschale zu halten, daß eine Anzahl von Einpressungen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander in der Lippe ausgebildet werden, um den Federring in eine Wellenform zu bringen und um diesen Federring in einer vorbestimmten Höhe im Gehäuse zu halten, wenn dieser die Neigung hat, seine ursprüngliche Form bei einem Verschleiß zwischen dem Kugelende und der Lagerschale wieder anzunehmen.

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