DE2826521C2 - Kugelgelenk - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Kugelgelenk (US-PS 31 68 339) zur Verwendung in Lenkgestänge^ von Kraftfahrzeugen, ist der Kugelkopf des Kugelzapfens in einem Pfannengehäuse mittels eines oberen Lagereinsatzes und eines unteren Lagereinsatzes gelagert. Der obere Lagersitz ist fest in die Lagerpfanne eingefügt, wohingegen der untere Lagersitz als Verschleißaufholsitz ausgebildet und daher axial in der Lagerpfanne bewegbar angeordnet ist. Zur Abstützung des Verschleißaufholsitzes am Kugelkopf des Gelenkzapfens ist eine verhältnismäßig stark ausgebildete Feder vorgesehen, die sich endseitig an der Endkappe des Pfannengehäuses abstützt. Der Einsatz einer solchen vergleichsweise stark ausgebildeten Feder ist insofern nachteilhaft, weil die entsprechend starke Federkraft einer Schwenkbewegung oder Drehung des Gelenkzapfens gegenüber dem Pfannengehäuse in einem Ausmaß entgegenwirkt, welches für viele Anwendungsfälle eines Zapfengelenkes nicht mehr tragbar ist.

Bei einem weiter bekannten Zapfengelenk (US-PS 49 010) ist der Kugelkopf des Gelenkzapfens gleichfalls unter Verwendung zweier Lagereinsätze im Pfannengehäuse gelagert, wobei der untere Lagereinsatz als Verschleißaufholeinsatz vorgesehen und durch eine verhältnismäßig starke Feder in Anlage an den Kugelkopf des Gelenkzapfens gehalten wird. Die Innenfläche des unteren Lagersitzes, die dem Kugelkopf anliegt, ist mit derselben Krümmung wie der Kugelkopf ausgebildet. Damit in den Gelenkzapfen eingeleitete Axialkräfte nicht allein von der Abstützfeder aufgenommen zu werden brauchen, ist der Verschleißaufholsitz derart geschlitzt, daß dieser beim Andruck durch die Feder an den Kugelkopf des Gelenkzapfens aufgeweitet und dadurch mit der Außenseite an das Pfannengehäuse angedrückt wird. Auch hier bedarf es also zur Aufnahme von Jt den Gelenkzapfen eingeleiteten Axialkräftcn einer vt rgleichsweise stark dimensionierten Feder, deren Federkraft in einer für viele Anwendungsfälle des Zapfengeienkes nicht tragbaren Weise einer Schwenkbewegung oder Drehung des Gelenkzapfens entgegenwirkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein solches Zapfengeienk derart weiterzubilden, daß sich bei einer axialen Belastung des Gelenkzapfens der Lagersitz an der vorgesehenen Stelle im Pfannengehäuse selbst hälL

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, wobei eine zweckmäßige Ausgestaltung durch die Merkmale des Anspruchs 2 angegebea ist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kugelgelenks wird der Lagersitz bei einer axialen Belastung des Gelenkzapfens alleine durch Reibkraft in der vorgesehenen Stellung im Pfannengehäuse gehalten. Das heißt, daß der Lagersitz nicht der Unterstützung durch eine Feder bedarf, diese vielmehr im wesentlichen nur der Lagesicherung des Lagersitzes in den Fällen dient, in denen der Gelenkzapfen axial unbelastet ist, und somit entsprechend weich ausgebildet sein kann, so daß sie für das Schwenk- und Drehverhalten des Gelenkzapfens ohne Einfluß ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Zeichnung, und zwar sind:

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Kugelgelenkes und

F i g. 2 eine im größeren Maßstab gezeichnete schematische Darstellung, welche die Zusammenarbeit zwischen dem Kopfende des Kugeldrehzapfens, dem Lagersitz und der Seitenwand des Pfannengehäuses des Kugelgelenkes nach Fi g. 1 erkennen läßt.

Das in Fig. 1 dargestellte Kugelgelenk 10 hat ein starres Metallgehäuse 12 mit einer allgemein zylindrischen Seitenwand 14 und einer kreisförmigen Endplatte 16, wodurch ein allgemein zylindrisches Pfannengehäuse <8 gebildet wird. Der Kugeldrehzapfen 22 hat einen kugligen Kopfteil 24, der sich in dem Pfannengehäuse 18 befindet. Der Schaftteil 26 des Kugeldrehzapfens 22 erstreckt sich von dem Kopfteil 24 durch eine kreisförmige Öffnung 28 in dem Gehäuse 12 nach außen. Der Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens 22 hat eine im allgemeinen kugelförmige Außenfläche 32, die mit einer Lageranordnung 34 zusammenarbeitet. Diese Lageranordnung 34 bietet eine Auflage für den Kugeldrehzapfen 22, bei der er einer Drehbewegung und einer begrenzten Schwenkbewegung um einen Schwenkmittelpunkt 36 fähig ist, der mit dem Mittelpunkt des kugelförmigen Kopfteiles zusammenfällt.

Die Lageranordnung 34 hat einen ringförmigen oberen Lagersitz 38, der mit dem Pfannengehäuse 14 aus einem Stück besteht und dessen innenfläche 40 an der

kugligen Fläche 32 des Kopfteiles 24 des Kugeldrehzapfens anliegt. Die abstützende Lagerfläche 40 hat einen Krümmungsradius, welcher dem Krümmungsradius des Kopfteiles 24 entspricht. Fernerhin enthält die Lageranordnung 34 einen ringförmigen unteren Lagersitz 44. Zwischen der Verschlußplatte 16 und dem unteren Lagersitz 44 ist eine Spiralfeder 46 angeordnet, die den unteren Lagersitz in Anlage an den Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens 22 hält

Die Spiralfeder 46 ist verhältnismäßig weich, so daß sie auf den unteren Lagersitz 44 nur einen Druck ausübt, der ausreicht, um den Lagersitz in Anlage an den Kopfteil 24des Kugeldrehzapfens 22 zu halten. Dadurch werden die auf den unteren Lagersitz 44 und den Kugeldrehzapfen 22 übertragenen Vorbelastungskräfte vermindert Der Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens ist daher frei, in dem Pfannengehäuse 18 um den Mittelpunkt 36 Dreh- und Schwenkbewegungen auszuführen.

Obwohl es wünschenswert ist, daß die Feder 46 auf den unteren Lagersitz 44 nur eine verhältnismäßig geringe Vorbelastungskraft ausübt, so ist. es doch notwendig, den Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens bei der Übertragung einer Axialkraft 50 aut den Kugeld.rehzapfen 22 an dem oberen Lagersitz 38 in Anlage zu halten. Der Lagersitz 44 wirkt mit dem Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens und dem Pfannengehäuse 12 so zusammen, daß der Kugeidrehzapfen an Bewegungen unter dem Einfluß von auf den Schaft 26 übertragenen Axialkräften gehindert wird. Um eine Bewegung des unteren Lagersitzes 44 zu dämpfen, ist dieser so ausgebildet, daß zwischen dem Lagersitz und der Seitenwand 14 des Pfannengehäuses möglichst große statische Reibungskräfte auftreten. Zusätzlich ist der Lagersitz 44 so beschaffen, daß zwischen dem Lagersitz und einer zylindrischen inneren Seitenwand 54 des Pfannerigehäuses eine Keilwirkung entsteht.

Zur Herbeiführung dieser Keilwirkung ist der untere Lagersitz 44 mit einer inneren Ringfläche 58 versehen, welche den Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens umgibt. Die ringförmige innere Lagerfläche 58 hat im Querschnitt einen f ebogenen Verlauf, wie man dies aus der Radialebene in Fig.2 ersehen kann. Der Krümmungsradius der inneren Lagerfläche ist größer als der Krümmungsradius des kugligen Kopfteiles 24 des Kugeldrehzapfens. Infolgedessen fällt der Krümmungsmittelpunkt des kugligen Kopfteiles des Kugeldrehzapfens mit dem Zentrum 3ö der Schwenkbewegung zusammen. Der Krümmungsmittelpunkt des Radialschnittes des Lagersitzes ist in F i g. 2 mit 60 bezeichnet. Daraus ergibt sich ein verhältnismäßig großer, in F i g. 2 durch den Pfeil 62 angegebener Krümmungsradius der Innenseite 58 des Lagersitzes 44, während der kuglige Kopfteil 24 des Kugeldrehzanfens einen verhältnismäßig kleinen Krümmungsradius hat, der in Fig. 2 mit dem Pfeil 64 bezeichnet ist.

Der relativ große Krümmungsradius der Lagerfläche 58 ergibt einen sich aufwärts verjüngenden Lagerspalt (F i g. 2), so daß der Berührungspunkt zwischen der Innenseite 58 des Lagersitzes 44 und der kugligen Außenfläche 32 des Kopfteiles 24 in die Nähe des Äquators des Kopfteiles 24 zu liegen kommt. Diese Berührungsstelle ist in F i g. 2 mit 68 bezeichnet. Die gebogene Lagerfläche 58 entfernt sich auf beiden Seiten der Berührungsstelle 68 von der Außenseite 32 des Kopfteiles 24 des Kugeldrehzapfens. Die ringförmige Sitzfläche 58 wird durch Umdrehung des gebogenen radialen Querschnittes nach F i g. 2 um das Schwenkbewegungszcntrum 36 des Kugeldrehzapfens 22 erzeugt. Es ergibt sich daraus die Bildung einer ringförmigen Mittellinie oder Achse 72 der Berührung zwischen der Fläche 58 des Lagersitzes und dem Kopfteil des Kugeldrehzapfens.

Diese miniere Linie 72 der Berührung zwischen der Innenfläche 58 des Lagersitzes 44 und der Außenfläche des Kopfes 24 des Kugeldrehzapfens liegt verhältnismäßig nahe dem Äquator des Kopfteiles 24. Infolgedessen wird die nach unten gerichtete Kraft 50 von dem Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens auf den Lagersitz über eine keglige Ebene übertragen, deren Scheitel sich in der Mitte 36 der Schwenkbewegung des Kugeldrehzapfens befindet. Die Basis der kegligen Ebene der Kraftübertragung endet in der Kreislinie 72. In jedem radialen Schnitt der kegligen Ebene der Kraftübertragung erfolgt die Übertragung einer Belastungskraft 78 (F i g. 2) von dem Kopfteil 24 des Kugeldrehzapfens auf den unteren Lagersitz 44.

Die auf den Lagersitz 44 übertragene Kraft hat eine verhältnismäßig große radiale Komponente 80 und eine verhältnismäßig kleine axiale Komponente 82. Die verhältnismäßig große Radialkraft 80 drückt die zylindrische Außenseite 86 des unteren Lage:* itzes 44 fest gegen die zylindrische Fläche der SeitenwanJ 14 des Gehäuses. Die durch die äußere Seitenfläche des Lagersitzes 44 gegen die Innenseite 54 des Pfannengehäuses 18 ausgeübte Kraft erzeugt eine seitwärtsgerichtete Reaktionskrafi 38 und eine aufwärtsgerichtete statische Reibungskraft 90 an dem ringförmigen Lagersitz 44. Die Summe der Reibungskräfte 90 rings um die zylindrische Außenfläche 86 des ringförmigen Lp.gersitzes 44 ist gleich der abwärtsgerichteten Belastungskraft 50 und gleich der Summe der Axialkraftkomponenten 82. Infolgedessen wird der Lagersitz 44 durch die Reibungskraft fest in Stellung gehalten, so daß er sich in dem Pfannengehäuse 18 nicht abwärts bewegt.

Eine Abwärtsbewegung des Lagersitzes 44 in dem Pfannengehäuse 18 wirkt auch der aufwärtsgerichteten Federkraft 94 entgegen, die auf die untere keglige Fläche 96 des Lagersitzes 44 übertragen wird. Da jedoch die Feder 46 weich ist und lediglich den Lagersitz unierstützen soll, wenn das Kugelgelenk 10 unbelastet ist. so kann die aufwärtsgerichtete Federkraft vernachlässigt werden. Man kann also sagen, daß der Lagersitz 44 in dem Pfannengehäuse 18 nur durch die Reibungskraft 90 zwischen der Außenseite 86 des Lagersitzes und der Innenseite 54 des Pfannengehäuses an eine- Abwärtsbewegung gehindert wird. Es sei ausdrücklich bemerkt, daß das Kugelgelenk 10 keine Anschlagkanten, Stifte o. dgl. aufweist, die den Lagersitz in Stellung halten sollen.

Die Reibungskraft 90 zwischen dem Lagersitz 44 und der Seitenwand 14 des Gehäuses ist gleich dem Produkt der Radialkraft 80 und des statischen Reibungskoeffizienten zwischen dem Lagersitz 44 und der Gehäuseseiten.vana je niedriger die Kontaktstelle zwischen der gebogenen inneren Seitenfläche 58 des Lagersitzes 44 und der kugligen Seitenfläche des Kopfes 24 dea Kugeldrehzapfens liegt, umso kleiner ist die radiale Kraftkomponente 80. Um zwischen dem Lagersitz 44 und der Seitenwand 14 des Pfannengehäuses unter dem Einfluß einer auf den Kugeldrehzapfen einwirkenden Axialkraft eine Reibungssperrwirkung zu erzielen, muß die Stelle 68 (Fig. 2). bei welcher der gebogene Abschnitt des Lagersitzes 58 die kuglige Oberfläche des Kugeldrehzapfens 32 tangiert, sich möglichst nahe dem Äquator des Kugeldrehzapfens befinden, wobei jedoch dem Kugeldrehzapfen die nötige Abstützung zuteil werden muß.

Die unterste Stellung der Berührungsstelle 68. bei welcher zwischen dem Lagcrsit/ und der .Seitenwand des Pfannengehäuses eine sperrende oder dämpfende Reibungswirkung eintritt, kann aus der Geometrie des Kugelgelenks 10 und dem Reibungskoeffizienten zwi- -> sehen dem Lagersitz und der Seitenwand des Pfannengehäuses ermittelt werden. Die kreisförmige Kontaktlinie 72 zwischen dem Lagersitz 44 und der Oberfläche 32 des Kugeldrehzapfens hat eine mittlere Längsachse, die mit einer Längsachse 100 des Pfannengehäuses 18 zu- in summenfällt und durch das Zentrum 36 der Schwenkbewegung verläuft. Die Kreislinie 72 liegt in einer Ebene, die sich rechtwinklig zu der Mittelachse 100 des Pfannengehäuses 18 und zu der zylindrischen Wandfläche 54 dieses Gehäuses erstreckt. Die radial nach außen und π unten gerichtete Kraftkomponente 78. die aus der axialen Belastung 50 des Schaftes 26 des Kugeldrehzapfens herrührt, verläuft in einem spitzen Winkel 104, der von der Wirkungslinie der Belastungskomponente 78 und einer zweiten Ebene 106 gebildet wird, welche parallel zu der Ebene verläuft, die die ringförmige Achse oder Bcrührungslinie 72 zwischen der Außenseite des Kopfes 24 des Kugeldrehzapfens und dem Lagersitz 44 enthält. Die Wirkungslinie der Belastungskraft 78 verläuft durch das Zentrum 36 der Schwenkbewegung und durch den ϋϊ Berührungspunkt 68. Der spitze Winkel zwischen der Wirkungslinie der Belastungskraft 78 und der radialen Kraftkomponente 80 ist gleich dem Winkel 104.

Die Radial- und Axialkraftkomponenten 80 und 82, die auf den Lagersitz 44 einwirken, stehen in einer Be- jo Ziehung zueinander, die dem Tangens des Winkels 104 entspricht. Die Axialkomponente 82 ist somit gleich der Radialkomponente 80 mal dem Tangens des Winkels 104. Um zu erreichen, daß die Reibungskraft 90 den Lagersitz in dem Pfannengehäuse 18 gegen eine Axialbewegung festhält, muß die Reibungskraft 90 wenigstens so groß sein wie die Axialkraftkomponente 82. ÄtigcnutnfticFi es besteht eine, den Lagcrsiiz 44 festste! lende Reibungswirkung, dann ist die Reibungskraft 90 gleich der Radialkraftkomponente 80 mal dem Tangens des Winkels 104. Die Reibungskraft 90 ist auch gleich dem statitschen Reibungskoeffizienten zwischen der zylindrischen Außenwandung 86 des Lagersitzes 44 und der zylindrischen Seitenfläche 54 des Pfannengehäuses 18. Daher ist bei einer Axialkraft 82. die der Reibungskraft 90 gleich ist. der Tangens des Winkels 104 gleich oder kleiner als der statische Reibungskoeffizient zwischen der Fläche 86 des Lagersitzes und der Wandfläche 54 des Pfannengehäuses.

Wenn der Tangens des Winkels 104 den Reibungskoeffizienten zwischen dem Lagersitz 44 und der Gehäusewand 14 übersteigt, so übertrifft die Axialkraft 82 die Reibungskraft 90, und der Lagersitz 44 wird sich dann in dem Pfannengehäuse nach unten bewegen. Ist jedoch der Winkel 104 genügend klein, so daß sein Tangens kleiner als der Reibungskoeffizient zwischen dem Lagersitz 44 und der Seitenwandfläche 54 ist, so ist die aufwärtsgerichtete Reibungskraft 90 gleich der axial nach unten gerichteten Kraftkomponente 82. Der Lagersitz 44 wird dann durch die Reibungskraft zwischen dem Lagersitz und der Wandfläche 54 des Pfannengehäuses in diesem gegen eine Abwärtsbewegung festgehalten.

Der statische Reibungskoeffizient zwischen dem Lagersitz 44 und der Wandfläche 54 des Pfannengehäuses ändert sich in Abhängigkeit von den Materialien, aus welchen der Lagersitz 44 besteht, und von der Schmierstoffmenge zwischen dem Lagersitz 44 und der Wandfläche 54 de Pfannengehäuses. Es kann jedoch angenommen werden, daß für die Mehrzahl der üblicherweise für den Lagersitz verwendeten Materialien, wie z. B. Polyamid oder Polyaeeial. eine Verschiebung des Lagersitzes 44 gegenüber der Wandfläche 54 des Pfannengehäuses nicht vorkommt, wenn der Winkel 104 IO oder weniger als 10 beträgt. Bei einem Lagersitz aus einem polymeren Material und einer Seitenwand 14 des Pfannengehäuses aus Stahl fing der Lagersitz erst zu rutschen an, wenn der Winkel 104 etwa 18° betrug.

Bei der Formgebung der inneren Lagerfläche 58 sieht man einen gebogenen Radialschnitt (so wie in Fig. 2) vor. dessen Krümmungsmittelpunkt 60 auf einer Linie liegt, die sich durch den Schwenkmittelpunkt 36 des Drehzapfenkopfes und durch die Stelle 68 erstreckt, an der die innere Lagerfläehe 58 und der Drehzapfenkopf sich berühren. Der Krümmungsmittelpunkt 60 ist gegenüber dem Mittelpunkt der Schwenkbewegung 36 auf die gleiche Seite einer Ebene 106 versetzt, auf der sich der Schaft 26 des Kugeiurenzitpfens befindet, und zwar auf die Seite der Ebene 106. welche der Ebene gegenüberliegt, die die kreisförmige Linie 72 der tangentialen Berührung zwischen der gebogenen Innenseite 58 des Lagersitzes 44 und dem Kugeldrehzapfenkopf enthält. Auf diese Weise wird ein gebogener keilförmiger Spalt 112 zwischen dem Lagersitz 44 und der Außenseite 32 des Kopfteiles 24 des Kugeldrehzapfens gebildet.

Der gebogene keilförmige Spalt 112 verengt sich nach oben hin bis zu der Kreislinie 72 des tangentialen Kontaktes zwischen dem Lagersitz und dem Kopf 24 des Kugeldrehzapfens. Ein ähnlicher keilförmiger Spalt ist zwischen der Innenfläche des Lagersitzes und der Außenseite 32 des Drehzapfenkopfes auf der entgegengesetzten Seite der Linie 72 der tangentialen Berührung vorhanden. Da die Innenseite 58 des Lagersitzes 44 durch Drehung des gebogenen Querschnittes nach F i g. 4 um den Mittelpunkt 36 gebildet wird, so hat der keilförmige Spalt 112 eine ringförmige Gestalt, und er erstreckt sich vollständig um den Kugeldrehzapfenkopf 24 herum.

Wenn der Lagersitz 44 unter dem Einfluß von auf das Kugelgelenk einwirkenden Kräften sich abnutzt, so hält sich diese Abnutzung auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Linie 72 im Gleichgewicht, so daß ein ringförmiger Abnutzungsbereich entsteht, dessen Mitte auf der Kreislinie 72 liegt und der die Außenseite des Kopfes 24 des Kugeldrehzapfens umgibt. Da die Mitte des Bereiches der Druckbeanspruchung zwischen dem Lagersitz 44 und der kugligen Außenseite 32 des Kopfes 24 des Kugeldrehzapfens im wesentlichen auf der Kreislinie 72 verbleibt, so hat die Belastungskraft 78 im wesentlichen auch die gleiche Wirkungslinie.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach den Fig.1 und 2 ist der Lagersitz 44 genauso geformt, daß der Tangens des Winkels 104 kleiner bleibt als der statische Reibungskoeffizient zwischen dem Lagersitz 44 und der Seitenwand 14 des Pfannengehäuses. Bemerkt sei, daß aus Kostengründen Herstellungstoleranzen zugelassen werden müssen, die im Falle gewisser Gelenkanordnungen verhindern können, daß der Lagersitz 44 genau genug so geformt wird, daß ein verhältnismäßig kleiner Winkel 104 aufrechterhalten bleibt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kugelgelenk mit einem Pfannengehäuse und einem Kugefzapfen, welcher eine in dem Pfannengehäuse gelagerte Gelenkkugel als Kopfteil und einen Schaftteil zur Aufnahme axialer Belastungskräfte aufweist, wobei das Pfannengehäuse einen Lagersitz mit einer an der Gelenkkugel auf der dem Schaftteil abgewandten Kugelhälfte anliegenden Innenfläche aufweist, während die Außenfläche des Lagersitzes an der Seitenwand des Pfannengehäuses abgestützt und geführt ist, und wobei Mittel vorgesehen sind, die einer relativen Verschiebung des Lagersitzes gegenüber der Seitenwand des Pfannengehäuses unter dem Einfluß axialer Belastungskräfte des Kugelzapfens entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (58) des Lagersitzes (44) in Ebenen, welche die Symmetrieachse (100) des Pfannengehäuses (12) enthalten, mit einem Krümmungsradius ausgebildet ist, der größer als der Krümmungsradius des kugelförmigen Kopftcüs (24) des Kugelzapfens (22) ist, und daß der Lagersitz (44) im Längsschnitt so ausgebildet ist, daß die Abstützung der Gelenkkugel im wesentlichen in einer Ebene (72) erfolgt, die in einem Abstand parallel zur durch den Mittelpunkt (36) der Gelenkkugel und senkrecht zur Symmetrieachse (100) des Pfannengehäuses (12) gelegten Ebene (106) verläuft, wobei der Abstand so gewählt ist, daß der Tangens des spitzen Winkels, unter dem die gemeinsame Normale auf der Kugelobc^flsche (32) und der Innenfläche (58) des Lagersitzes (44) gegen die Ebene (72), in der die Abstützung erfolgt, verlauft, nicnt größer ist als der Haftreibungskoeffizient zwischen der Außenseite (86) des Lagersitzes (44) und der Seitenwand (54) des Pfannengehäuses (12).

2. Kugelgelenk nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene (72) der Abstützung rechtwinklig zur Mittelachse (100) des Pfannengehäuses (12) verläuft.