DE2925057C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches Kugelgelenk. Solche elastischen Kugelgelenke werden insbesondere im Kraft­ fahrzeugbau verwendet, beispielsweise zur Aufhängung und Halte­ rung der Spurstangen. Mehr im einzelnen bezieht sich die Er­ findung auf ein elastisches Kugelgelenk mit einem Kugelzapfen, der einen Kugelgelenkkopf und einen Zapfenschaft aufweist, ferner mit einem den Kugelgelenkkopf umgebenden Gehäuse, das eine ausreichend bemessene Öffnung für den Durchtritt des Zapfenschaf­ tes aufweist, die auch gegenseitige Bewegungen zwischen Kugel­ zapfen und Gelenkgehäuse zuläßt, und weiterhin mit einer fest am Kugelzapfen angeordneten Lage aus Elastomermaterial, welche den Kugelgelenkkopf einhüllt und eine kragenartige, den Ansatz des Zapfenschaftes am Kugelgelenkkopf bedeckende Manschette bildet.

Elastische Kugelgelenke dieser Art sind bekannt; vgl. etwa US-PS 34 86 778 (mit der kragenartigen Manschette "37" in Figur 3) oder die DE-PS 8 54 731 (mit der Manschette "12") oder die DE-AS 11 05 738 (Ausführungsform nach Figur 2). In allen Fällen bildet die, im Öffnungsbereich aus dem Gelenkgehäuse herausgeführte und am Zapfenschaft-Ansatz anliegende Manschette eine glatte Lage oder Schicht aus Kunststoff bzw. Elastomermaterial. Beispiels­ weise soll ein halsartiger, an einen konischen Bolzenschaft ange­ setzter Rand einer Weichgummischicht als Puffer in der Gelenkge­ häuse-Öffnung dienen. Ferner kann eine solche Manschette als Dich­ tung wirken, welche das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das Gelenkgehäuse verhindern soll. Es ist auch schon vorge­ schlagen worden, die Elastomerschicht sowohl am Kugelgelenkkopf wie an der Gelenkgehäuse-Innenwand festzulegen. Solche "Elastic­ gelenke" erlauben nur einen eng begrenzten Ausschlagwinkel.

Der Öffnungsbereich stellt eine empfindliche Zone solcher elasti­ schen Kugelgelenke dar. Hier kann sich Schmutz ansammeln, der ge­ gebenenfalls durch Schmierfett zusätzlich festgehalten wird. Drin­ gen solche Schmutzteilchen über den Öffnungsbereich in das Ge­ lenkgehäuse ein, so kann dies die Funktionstüchtigkeit und die ver­ wertbare Lebensdauer des Kugelgelenkes erheblich beeinträchtigen. Eine weitere Gefahr kann von Überlastungen und Überdehnungen des Elastomermaterials, insbesondere im hochbelasteten Öffnungsbe­ reich ausgehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Lebens­ dauer von elastischen Kugelgelenken mit der oben angegebenen Bau­ art zu verlängern.

Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll die Lebensdauer von elastischen Kugelgelenken der genannten Art verlängert werden, bei welchen das Elastomermaterial nicht nur am Kugelgelenkzapfen sondern auch an der Gelenkgehäuse-Innenwand fest angebracht ist.

Ausgehend von einem elastischen Kugelgelenk der genannten Art ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem zur Manschette benachbarten Hüllenabschnitt einstückig eine nach außen vorstehende Rippe angeformt ist, die zusätzliches Elastomermaterial in dem hochbeanspruchten Öffnungs­ bereich bereitstellt. Diese Rippe steht von einem Elastomer-Ring­ abschnitt ab, der benachbart zum Zapfenschaftansatz an einem unte­ ren Kugelgelenkkopf-Abschnitt anliegt, und ragt in den Öffnungsbe­ reich hinein. Die Rippe stellt dort zusätzliches Elastomermaterial zur Verfügung, was insbesondere bei erheblichen Torsionsbeanspru­ chungen und/oder starken Winkelausschlägen des Kugelgelenkes die Dehnungsbeanspruchung des Elastomermaterials verringert. Weiter­ hin wird in diesem hochbeanspruchten Öffnungsbereich die mechani­ sche Oberflächenspannung des Elastomermaterials herabgesetzt. Es resultiert insgesamt eine Verlängerung der verwertbaren Lebens­ dauer und Einsatzbereitschaft des elastischen Kugelgelenkes.

Vorzugsweise ist eine solche Rippe vorgesehen die ununterbrochen und mehrfach gekrümmt ausgebildet ist. Eine derartig ausgebildete Rippe stellt nicht nur besonders viel Elastomermaterial im hoch­ beanspruchten Öffnungsbereich zur Verfügung, sondern bei Gelenk­ verstellungen bewegt sich auch die Rippe und befördert Steinchen, andere Feststoffe und sonstige Schmutzteilchen aus dem Öffnungs­ bereich heraus, so daß solche festen Teilchen nicht in das Innere des Gelenkgehäuses gelangen und dort das Elastomermaterial schädi­ gen können.

Eine solche Rippe - insbesondere in der Form eines ununterbro­ chenen und mehrfach gekrümmten Steges - ist vorzugsweise bei sol­ chen Kugelgelenken vorgesehen bei denen das Elastomermaterial nicht nur am Kugelzapfen, sondern auch an der Innenwand des Ge­ lenkgehäuses fest angebracht ist. Es wird ein vollständig gebun­ denes, elastisches Kugelgelenk erhalten, das auch Auslenkungen um sehr erhebliche Winkel sowie hohen Torsionsbeanspruchungen ohne ein Herausreißen des Kugelgelenkkopfes aus dem Gelenkgehäuse standhält. Ferner stellt die Rippe im hochbeanspruchten Öffnungs­ bereich zusätzliches Elastomermaterial bereit, was die Dehnungs­ beanspruchung des an beiden Gelenkteilen fest angebrachten Elasto­ mermaterials verringert.

Mit der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein elastisches Kugelgelenk für die Anwendung in der Vorderradaufhängung eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen bereitgestellt. Zu dem gesamten Kugelgelenk ge­ hören ein Kugelzapfen mit einem Kugelgelenkkopf an einem Ende und einem Zapfenschaft am anderen Ende sowie ein Gelenkgehäuse mit offenem Ende, in welches der Kugelgelenkkopf des Kugelzap­ fens eingesetzt ist. Ein ununterbrochener elastischer Überzug ist sowohl am Kugelgelenkkopf wie an einem Teil des Zapfenschaf­ tes angebracht, um eine erhöhte Bindungsfestigkeit sowie eine größere Beständigkeit dieser Verbindung zu gewährleisten. Darauf­ hin wird das elastische Material für das Einfügen in das offene Ende des Gelenkgehäuses verformt, so daß anschließend eine ela­ stische Verbindung zwischen dem Gelenkgehäuse und dem Kugelzapfen resultiert. Eine weitere Bindung zwischen dem Gelenkgehäuse und dem elastischen Überzug nach dem Einsetzen ergibt ein vollständig verbundenes System, das auch Bewegungen in stark abgewinkelten Richtungen ohne Herausschlüpfen oder Ausreißen des Kugelgelenk­ kopfes aus dem Gelenkgehäuse standzuhalten vermag.

Nach einem wesentlichen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Rip­ pe oder Lippe aus Elastomermaterial an dem Überzug des Kugelge­ lenkkopfes benachbart zum Zapfenschaft angebracht welche beim Einsetzen in das Gelenkgehäuse zu einem fortlaufenden, mehrfach gekrümmten Band oder Steg kollabiert. Diese Rippe ergibt eine erhöhte Lebensdauer des Elastomermaterials, indem die mechani­ sche Spannung der Elastomeroberfläche vermindert und die Deh­ nungsbeanspruchung des Elastomermaterials herabgesetzt wird und ferner Steine und andere Festkörper vom Eindringen in das offe­ ne Ende des Gelenkgehäuses gehindert werden.

Es ist zweckmäßig, den Randabschnitt rund um das offene Ende des Gelenkgehäuses um das Elastomermaterial und um den Kugel­ gelenkkopf herumzurollen und außen an diesen Rand eine Lippe anzuformen. Diese lippenförmige Ausbildung erhöht die Festhal­ tung des Kugelgelenkkopfes im Gelenkgehäuse und verhindert ein Ausreißen des Kugelzapfens.

Mit der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die obengenannte Aufgabe gelöst, sondern es wird eine neue und verbesserte Anord­ nung für ein elastisches Kugelgelenk angegeben, das einfach im Aufbau, wirtschaftlich in der Herstellung und zuverlässig im Ge­ brauch ist, das über eine lange Gebrauchsdauer funktionstüchtig bleibt, das Schutz gegen Verunreinigungen gewährleistet, das ein Herausschlüpfen des Kugelzapfens verhindert und das insgesamt für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen auf einfache Weise geeignet ist. Die verformte Elastomerschicht zwischen Gelenk­ gehäuse und dem Kugelgelenkkopf kann allein durch eine moleku­ lare Verformung des Elastomermaterials sämtliche relativen Be­ wegungen zwischen den Bauteilen aufnehmen. Dank der Anwesenheit der zusätzlichen Rippe im hochbeanspruchten Öffnungsbereich weist das elastische Kugelgelenk eine erhöhte Festigkeit der Verbin­ dung und eine längere Lebensdauer der Verbindung zwischen Elasto­ mermaterial und Kugelgelenkkopf auf. Die Auswirkungen von Verun­ reinigungen während der Anwendung sind auf ein Minimum herabge­ setzt. Es wird ein hochzuverlässiges elastisches Kugelgelenk er­ halten, das über eine lange Lebensdauer funktionstüchtig bleibt.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand von Aus­ führungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letzteren zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt ein erfindungsgemäßes Kugelge­ lenkgehäuse mit Kugelzapfen, Elastomerschicht und Öffnung im Gelenkgehäuse;

Fig. 2 in einer Querschnittsdarstellung den Kugelzapfen mit der angebrachten Elastomerschicht im freien Zustand vor dem Einsetzen in das Gelenkgehäuse;

Fig. 3 teilweise im Schnitt das Gelenkgehäuse des erfindungs­ gemäßen Kugelgelenkes;

Fig. 4 die Darstellung des Schnittes längs der Linie 4-4 aus Fig. 1; und

Fig. 5 in einer Draufsicht ein erfindungsgemäßes Kugelge­ lenk, das einstückig am Ende einer Spurstange angebracht ist.

Im Rahmen dieser Unterlagen sollen "Elastomer" oder "Elastomer­ material" jedes beliebige gummiähnliche polymere Material be­ zeichnen; weiterhin werden nachfolgend die Ausdrücke "Gummi" und "gummiähnlich" äquivalent verwendet. "Elastomer" bezeichnet in allgemeiner Form gummiähnliche, polymere Materialien und wird auch als eine Abkürzung für Elastopolymere und elastische Poly­ mere verwendet. Im Rahmen dieser Unterlagen soll "Elastomer" so­ wohl die hochmolekularen, elastischen Kolloide, natürlichen Kaut­ schuk, synthetischen Gummi, synthetischen Naturgummi wie die gummiähnlichen Materialien wie etwa Neopren, Butylgummi und Styrol-Butadien-Copolymere umfassen.

Zu der mit den Fig. 1 bis 4 dargestellten, bevorzugten Aus­ führungsform eines elastischen Kugelgelenkes 10 gehören ein Ge­ lenkgehäuse 12 mit offenem Ende 38 und ein Kugelzapfen 14. Der Kugelzapfen 14 besteht typischerweise aus Metall wie etwa Stahl und weist einen im wesentlichen sphärischen Kugelgelenkkopf 16 mit einem davon abstehenden Zapfenschaft 18 auf. Der Zapfen­ schaft 18 weist am entfernten Ende ein Gewinde 20 sowie einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 22 auf, der an einen unteren Seg­ mentabschnitt 24 des Kugelgelenkkopfes 16 anschließt (vgl. Fig. 1 und 2). In Querrichtung ist der Durchmesser des unteren Kugel­ segmentabschnittes 24 größer als der größte Durchmesser des kegel­ stumpfförmigen Zapfenschaft-Abschnittes 12. Der Umriß des Kugel­ gelenkkopfes wird üblicherweise kreisförmig sein, obwohl gele­ gentlich für Spezialzwecke auch andere sphärische Umrisse möglich sind. Vorzugsweise ist der obere Segmentabschnitt des Kugelge­ lenkkopfes 16 mit einem abgeflachten Abschnitt 26 versehen.

An Teilen des Kugelzapfens 14 ist eine Elastomer-Überzugsschicht 28 angebracht, welche an der Oberfläche durch Anbinden ("Bonden") oder durch andere, bekannte, eineHaftung gewährleistende Maßnah­ men befestigt ist. Insbesondere ist die Elastomer-Überzugsschicht 28 dauerhaft chemisch an dem Kugelgelenkkopf 16 und ferner an dem Ansatz des kegelstumpfförmigen Zapfenschaftabschnittes 22 be­ nachbart zum Kugelgelenkkopf 16 fest angebracht. Der Elastomer­ überzug stellt vorzugsweise ein ununterbrochenes fest ange­ brachtes Stück dar, wobei dieses Überzugsstück ganz am oberen Segmentabschnitt des Kugelgelenkkopfes und am kegelstumpfförmi­ gen Zapfenschaftabschnitt eine dünne Wandstärke aufweist. Zusätz­ lich ist eine Rippe oder Lippe 30 aus Elastomermaterial vorge­ sehen, die von der Oberfläche des Elastomermaterials unterhalb des unteren Segmentabschnittes 24 benachbart zum Zapfenschaft­ abschnitt 22 absteht. Die Elastomerschicht und ihre Funktion werden nachstehend im einzelnen erläutert.

Der beschriebene Kugelzapfen 14 ist in dieser Form zum Einsetzen in das offen endende Gelenkgehäuse 12 fertig; dieses Gelenkge­ häuse (Pfanne) 12 weist eine zumeist kugelförmige Oberwand 32 und eine zumeist zylindrische Seitenwand 34 auf. Mittig in der Ober­ wand 32 ist eine Öffnung 35 ausgespart, um das genaue Einsetzen des Kugelzapfens 14 in die Anordnung zu erleichtern.

Betrachtet man im einzelnen die Gestalt des Elastomerüberzugs im freien Zustand am Kugelzapfen 14 vor dem Einsetzen in das Gelenk­ gehäuse 12 - wie das mit Fig. 2 dargestellt ist - so fällt auf, daß der Elastomerüberzug in verschiedenen Kugelsegment-Oberflächenab­ schnitten unterschiedliche Wandstärken aufweist. Insbesondere im Um­ fangsabschnitt rund um den Kugelgelenkkopf und senkrecht zur Längsachse des Kugelzapfens weist die Elastomerschicht 28 einen dickeren Wandabschnitt bzw. Flansch 36 auf. Dieser Flansch 36 hat eine zumeist zylindrische Außenfläche, deren Wandstärke bei Annäherung an den unteren Segmentabschnitt 24 des Kugelgelenk­ kopfes stark abnimmt, abgesehen von der oben bezeichneten Rippe 30. Der Zweck dieser Änderung der Wandstärke bei dieser Ausfüh­ rungsform des Elastomerüberzugs ist in der US-PS 29 79 353 aus­ führlicher erläutert. Im wesentlichen ist diese starke Vermin­ derung der Wandstärke vorgesehen, um den Zusammenbau des Kugel­ gelenkes zu erleichtern und ergibt nachfolgend die angestrebte, relativ einheitliche Wandstärke der Elastomerschicht.

Zum Einsetzen des mit dem Elastomer überzogenen Kugelzapfens in das offene Ende des Gelenkgehäuses wird ein geeignetes Schmier­ mittel wie ein leichtes Paraffinöl auf dem Elastomermaterial auf­ gebracht, das eine Verformung des Elastomerkörpers entsprechend der komplementären Fläche des Gelenkgehäuses auf eine Weise er­ laubt, daß unerwünschte mechanische Spannungen lediglich in mini­ malem Ausmaß auftreten, wie das ausführlicher in der US-PS 29 79 353 beschrieben ist. Ein geeignetes beispielhaftes Öl ist das von der Sun Oil Company unter der Bezeichnung "Circo-Lite" vertriebene Gummiverarbeitungsöl. Im Verlauf des Zusammensetzens in dem Gelenkgehäuse eingeschlossene Luft und überschüssiges Schmiermittel werden durch die Öffnung 35 in der Spitze der ge­ krümmten Oberwand 32 des Gelenkgehäuses ausgetrieben. Nach dem Einsetzen des überzogenen Kugelzapfens wird ein (nicht darge­ stellter) Prägdorn benutzt, um die anfänglich zylindrische Wand 34 nach innen zu verformen, wodurch das offene Ende des Gelenk­ gehäuses teilweise verschlossen wird und lediglich eine Öffnung bzw. ein "Fenster" 38 zurückbleibt, deren/dessen Öffnungsweite einen kleineren Durchmesser aufweist als der Kugelgelenkkopf- Durchmesser. Das heißt, zwischen Kugelzapfen und Öffnung ver­ bleibt ein Zwischenraum, der ausreichend groß ist, um die gegen­ seitige Bewegung zwischen dem Kugelzapfen und dem Gelenkgehäuse zu erlauben, ohne daß der Kugelgelenkkopf durch die Öffnung in dem Gelenkgehäuse hindurchtreten kann. Darüberhinaus weist die Wand 34 vorzugsweise eine rund um die Öffnung ausgebildete Lippe 40 auf, welche einen weiteren Schutz gegen das Ausreißen des Kugelgelenkkopfes gewährleistet, wie das nachfolgend detailliert erläutert wird.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann an der Innen­ wand 42 des Gelenkgehäuses 12 ein später abbindendes (nicht dar­ gestelltes) Klebemittel aufgebracht werden. Dieses für die Haftung von Gummi an Metall vorgesehene Klebemittel ist vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung aushärtbar, so daß ein völlig gebundenes System erhalten wird, das sehr starke Winkelausschläge zwischen Kugelzapfen und Gelenkgehäuse aufzunehmen vermag, ohne daß der Kugelgelenkkopf aus dem Gelenkgehäuse herausschlüpft oder ausge­ rissen wird. Ein typisches Klebemittel für Gummi an Metall bzw. ein Klebemittel für Elastomermaterialien ist ein durch Wärmeein­ wirkung reaktivierbares Klebemittel auf Elastomerbasis, wie etwa das von Hughson Chemicals Lord Corporation, Erie, Pennsylvania, unter der Bezeichnung "Chemlok 234-B" hergestellte und vertriebene Material. Vorzugsweise wird ein übliches Metallgrundiermittel vor der Aufbringung des Klebemittels angewandt wie das in der Fach­ welt bekannt ist.

Bei einer anderen mit Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Gelenkgehäuse 12 als einstückiger Bestandteil am Ende einer Spurstange 44 ausgebildet. Dies gewährleistet ein hochzuverlässiges Bauteil, an dem Schweißverbindungen oder sonstige Formen einer Verbindung zwischen der Spurstange 44 und dem Gelenkgehäuse 12 nicht erforderlich sind. Das vorzugsweise geschmiedete Bauteil weist eine stark erhöhte Festigkeit auf. Darüberhinaus sind wegen der Gleichmäßigkeit der einstückigen Ausführung wesentlich größere Toleranzabweichungen während des Zusammenbaus zulässig.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk 10 ist an Teilen des Zap­ fens 14 ein vorzugsweise einstückiger Überzug aus Elastomermate­ rial chemisch angebracht. Diese chemische Anbringung oder Ver­ bindung gewährleistet eine starke Haftung zwischen dem Elasto­ mermaterial und dem Kugelzapfen. Der Elastomerüberzug erstreckt sich über den Kugelgelenkkopf-Abschnitt des Kugelzapfens hinaus und bedeckt auch den oberen, angrenzenden Abschnitt des Zapfen­ schaftes, wie das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Diese kra­ genartige Manschette des Elastomerüberzugs um den Zapfenschaft­ ansatz herum erhöht die Lebensdauer des Kugelgelenks, da die be­ anspruchte Verbindungslinie zwischen Elastomermaterial und Metall aus dem stark beanspruchten Bereich hinaus verschoben wird. Zwi­ schen dem Elastomermaterial und dem Kugelzapfen treten am Zapfen­ schaftansatz keine hohen Torsionskräfte auf. Darüberhinaus ist das Elastomermaterial nützlich, den Zapfenschaftansatz vor Rostangriff und Korrosion zu schützen. Der Elastomerüberzug weist eine Rippe 30 auf, die von derjenigen Elastomeroberfläche absteht, welche den unteren Segmentabschnitt 24 des Kugelgelenkkopfes 16 bedeckt. Diese Rippe 30 aus Extra-Elastomermaterial erhöht die Lebens­ dauer des Kugelgelenkes 10 beträchtlich. Diese Rippe oder Lippe ergibt zusätzliches Elastomermaterial in dem stark beanspruchten Bereich der Torsions- und Winkelbewegungen und verbessert dar­ überhinaus die mechanische Oberflächenspannung. Die Rippe oder Lippe vermindert erheblich mögliche Ausfälle oder Beschädigungen des Elastomermaterials in dem Bereich der stark beanspruchten Öffnung. Darüberhinaus bildet die Rippe oder Lippe beim Einsetzen in das Gelenkgehäuse ein ununterbrochenes, mehrfach gekrümmtes Band oder einen solchen Steg in diesem "Fenster" am offenen Ende des Gelenkgehäuses, wie das in Fig. 4 dargestellt ist. Dieses ge­ krümmte Materialband, das sich beim Betrieb des Kugelgelenkes be­ wegt, verhindert, daß sich Steine und andere Feststoffe in dem offenen Fensterabschnitt des Gelenkgehäuses absetzen; sofern sich trotzdem Steine und Schmutzteilchen abgesetzt haben, unterstützt das aus der Rippe oder Lippe gebildete fortlaufende gekrümmte Band die Entfernung dieser Steine und Schmutzteilchen.

Claims (3)

1. Ein elastisches Kugelgelenk mit einem Kugelzapfen (14) der einen Kugelgelenkkopf (16) und einen Zapfenschaft (18) aufweist, ferner mit einem den Kugelgelenkkopf umgebenden Gelenkgehäuse (12), das eine ausreichend bemessene Öffnung (38) für den Durchtritt des Zapfenschaftes aufweist, die auch gegenseitige Bewegungen zwischen Kugelzapfen und Gelenkgehäuse zuläßt, und ferner mit einer fest am Kugelzapfen angeordneten Lage (28) aus Elastomermaterial, welche den Kugelgelenkkopf einhüllt und eine kragenartige, den Ansatz des Zapfenschaftes am Kugel­ gelenkkopf bedeckende Manschette bildet, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zur Manschette benachbarten Hüllenabschnitt (24) ein­ stückig eine nach außen vorstehende Rippe (30) angeformt ist, die zusätzliches Elastomermaterial in dem hochbeanspruchten Öffnungsbereich bereitstellt.

2. Das Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Rippe (30) ununterbrochen und mehrfach gekrümmt ausge­ bildet ist.

3. Das Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomermaterial (28) - in an sich bekannter Weise - auch an der Innenwand des Gelenkgehäuses (12) fest ange­ bracht ist.