DE3545693C1 - Flexible joint - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein elastisches Gelenk, insbesondere für die Lenkerlagerung von Kraftfahrzeugen, mit einem Kugelzapfen und mit einer formschlüssig mit diesem verbundenen die Gelenkkugel umgebenden, elastischen Zwischen­ lage, die außen unter Vorspannung in einem innen zylindrischen Gelenkgehäuse gehaltert ist, wobei die Kugel Ausnehmungen hat, in die komplementär ausgebildete Erhebungen auf dem Innenmantel der Zwischenlage eingreifen.

Aus der DE-PS 6 45 875 ist ein elastisches Kugelgelenk bekannt, dessen Kugelkopf in eine elastische Lagermasse eingesetzt und mit tiefen Einbohrungen versehen ist, die mit der elastischen Lagermasse gefüllt sind. Die elastische Lagermasse ist durch eine Blechkappe abgedeckt, welche diese um den Kugelkopf herum unter starker Pressung hält. Die tiefen Einbohrungen ermöglichen zwar einen ausreichenden Formschluß, führen aber zu geringen Verbindungsquerschnitten von der den Kugelkopf umgebenden Lagermasse mit der die Einbohrungen ausfüllenden. Durch Pendelbewegungen des Kugelkopfes kann die Lagermasse an diesem Verbindungsquerschnitt abgeschert werden. Zudem benötigt das vorbekannte Kugelgelenk eine zusätzliche Blechkappe, welche Formschluß und Spielfreiheit gewährleistet. Darüber hinaus ist der Kugelzapfen nur unzulänglich vor einem Herausreißen gesichert, weil die in Richtung auf die Öffnung des Gelenkgehäuses zunehmende Wandstärke der Lagermasse eine abnehmende Vorspannung im Bereich dieser Öffnung bedingt.

Schließlich müssen die tiefen Einbohrungen nach dem Gießen oder Schmieden des Kugelzapfens in einem zusätzlichen Verfahrensschritt hergestellt werden.

Aus der US-PS 22 74 417 ist ein elastisches Gelenk bekannt, dessen Gelenkzapfen mittels einer Lagerschale aus Gummi in einem Gelenkgehäuse gehaltert ist. Der Gelenkzapfen ist im Gelenkgehäuse verdrehbar, weil er mit einem konischen bzw. zylindrischen Kopf versehen ist, der eine bzw. mehrere umlaufende Rillen aufweist. Durch Einpressen der gummi­ elastischen Lagerschale in die umlaufenden Rillen wird der Gelenkzapfen an einem Herausreißen aus dem Gelenkgehäuse gehindert, wenn die Zugkräfte in Zapfenausrichtung nicht allzu groß sind.

Aus dem DE-GM 18 18 602 ist ein Kugelgelenk bekannt, bei welchem der Gelenkkopf einen umlaufenden Stegrand hat und von einer elastischen Zwischenschicht umgeben ist. Das elastische Material bildet eine Kugel und ist zusammen mit dem eingeschlossenen Gelenkkopf von kugeligen Schalen eingeschlossen, die im Augbolzen gehalten sind. Der Gelenk­ bolzen ist somit beliebig um seine Achse drehbar, wobei das elastische Material in den kugeligen Schalen gleitet. Dies gilt auch für Pendelbewegungen des Gelenkbolzens und bedingt, daß dieser nicht von elastischen Rückstellkräften in seine senkrechte Ausgangslage zurückgestellt wird.

Aus dem Fachbuch von J. Reimpell, Fahrwerktechnik, Vogel-Ver­ lag, 5. Auflage, Würzburg ist von der Seite 280 aus dem Bild 3.1./12 und der zugehörigen Beschreibung auf der Seite 281 ein elastisches Gelenk zur Aufnahme von Axialkräften bei begrenzter Winkelbeweglichkeit bekannt. Dieses hat einen innenliegenden Kugelzapfen mit einer anvulkanisierten Gummi­ zwischenlage, die an ihrem Außenmantel in eine Lagerschale eingepreßt ist. Die axiale Vorspannung wird über keilförmige Spannringe an den Stirnseiten der Gummizwischenlage aufgebracht. Bedingt durch die eingepreßte bzw. anvulkani­ sierte Gummizwischenlage, läßt dieses elastische Gelenk nur begrenzt kardanische Winkelabweichungen und Verdrehwinkel zu. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Kugelzapfen zur Vorbereitung der Vulkanisation nach dem Gießen oder Pressen mechanisch nachgearbeitet werden muß und anschließend intensiv gereinigt werden muß, damit eine hochfeste Klebeverbindung entsteht. Die Vulkanisation selber ist ein relativ aufwendiger Fertigungsabschnitt, der entweder heiß unter Schwefelzugabe bei hohem Druck oder kalt unter Behandlung mit Lösungsmitteln abläuft.

Aus der DE-OS 18 02 033 ist ein Kugelgelenk bekannt, bei dem ein mit Vertiefungen versehener Kugelkopf in eine Gleitschale eingepreßt ist. Entsprechend der Orientierung der Vertiefungen hat dieses Kugelgelenk bei Kipp- oder Drehbe­ wegungen in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Momente. Dieses Kugelgelenk erlaubt zwar hohe kardanische Winkelab­ weichungen und unbegrenzte Verdrehwinkel des Zapfens, hat jedoch keine elastische Rückstellwirkung und vermag Stöße nicht zu absorbieren. Nachteilig sind bei diesem Kugelgelenk außerdem die hohe Reibung und die fertigungstechnisch aufwendige Herstellung des Kugelkopfes.

Aus der US-PS 32 10 108 ist ein Zapfengelenk bekannt, bei dem ein Zapfen in einer Führungshülse gleitet, die über eine nach­ giebige Gummibuchse im Gelenkgehäuse abgestützt ist. Der Zapfen wird am Gehäusedeckel geführt und zur Vorspannung der Gummibuchse mit einem Flansch gegen die Führungshülse gedrückt. Um ein Mitdrehen zu verhindern, hat die Führungs­ hülse auf dem Außenmantel zapfenparallele Rippen, die in die Gummibuchse eingepreßt sind. Diese aufwendige Konstruktion ermöglicht lediglich eine reibungsarme Drehbewegung des Zapfens in der Hülse mit praktisch unbegrenztem Drehwinkel.

Kardanische Winkelabweichungen und elastisches Abfangen von Stößen sind jedoch bei dieser Konstruktion nicht möglich.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein elastisches Gelenk zu schaffen, bei dem die Zwischenlage zwischen der Kugel und dem Gelenkgehäuse gleich­ mäßig verspannt ist.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Ausnehmungen in einem Kugelzapfenquer­ schnitt durch die Zapfenachse annähernd linsenförmig sind, daß die Ausnehmungen beidseitig der Äquatorebene der Kugel angeordnet sind, die senkrecht zur Zapfenachse steht und daß die Ausnehmungen auf dem Außenmantel der Kugel annähernd sphärische Dreiecke ausschneiden, deren Basis jeweils parallel zur Äquatorebene der Kugel ausgerichtet ist, die senkrecht zur Zapfenachse steht.

Bei diesem elastischen Gelenk ist die Zwischenlage einerseits an ihrem Innenmantel formschlüssig mit dem Kugelzapfen verzahnt und andererseits an ihrem Außenmantel infolge ihrer Vorspannung mit dem Gelenkgehäuse durch Reibungshaftung verbunden. Da eine Vulkanisation der Zwischenlage auf dem Kugelzapfen entfällt, kann dieser gegossen oder fließgepreßt werden und prizipiell ohne weitere mechanische Nach­ bearbeitung bzw. Vorbehandlung in ein erfindungsgemäßes Gelenk eingebaut werden. Hierzu wird die Zwischenlage einfach auf den Kugelzapfen aufgeschoben und mit diesem unter Vorspannung in ein Gelenkgehäuse eingesetzt. Dabei gleicht das gummielastische Material etwaige Fertigungsungenauigkeiten aus. Bevorzugte Zwischenlagenmaterialien sind Gummi oder Polyurethan (PUR). Mit diesen Materialien kann die gewünschte Elastizität und eine ausreichende Reibungshaftung erreicht werden. Somit erlaubt das erfindungsgemäße elastische Gelenk große kardanische Winkelabweichungen und Verdrehwinkel des Kugel­ zapfens, ohne daß ein Durchrutschen durch Beschädigung einer Vulkanisationsverbindung zu befürchten wäre. Der Kugelzapfen ist zudem in Zapfenausrichtung abgestützt, so daß das Gelenk hohe Axialkräfte aufnehmen kann.

Durch die annähernd linsenförmigen Ausnehmungen werden relativ tiefe Ausnehmungen ermöglicht, ohne daß der Kugelzapfen festigkeitsmäßig in bemerkenswertem Umfang geschwächt würde. Außerdem sind diese Ausnehmungen fertigungstechnisch besonders günstig und garantieren ein einfaches Entformen aus der Gußform bzw. dem Schmiedewerkzeug.

Die Anordnung der Ausnehmungen beidseitig der Äquatorebene der Kugel, die senkrecht zur Zapfenachse steht, ist im Hinblick auf die Abstützung axialer Kräfte besonders günstig, da eine besonders große axiale Stützfläche verwirklicht wird. Außerdem kann die Zwischenlage sowohl im Bereich der Äquatorebene, als auch an den Stirnseiten gleichmäßig vorgespannt werden. Schließlich ist die geteilte Zwischenlage einfach über die Zapfen aufschiebbar und wird in dieser vormontierten Anordnung praktisch unverlierbar gehalten.

Durch die annähernd sphärische Dreiecke ausschneidenden Ausnehmungen, deren Basis jeweils parallel zur Äquatorebene der Kugel ausgerichtet ist, die senkrecht zur Zapfenachse steht, wird der Kugelzapfen nahe der Äquatorebene von besonders breiten Erhebungen der Zwischenlage abgestützt, was hohe Drehmomente ermöglicht. Außerdem wird die Zwischenlage gleichmäßig vorgespannt, da sie im Bereich kleiner Wandstärken in erheblichem Maße und im Bereich großer Wandstärken in nur geringem Maße in die Ausnehmungen verdrängt wird.

Bei einer praktischen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Zwischenlage von zwei stirnseitigen Anschlägen gehalten wird. Die Grundidee der Erfindung kann bereits verwirklicht werden, wenn die Zwischenlage allein am Außenumfang ihres Außenmantels vorgespannt wird, um Reibungshaftung zu erreichen. Bei großen Winkelbewegungen und/oder Axialkräften kann es jedoch zweck­ mäßig sein, die Zwischenlage an zwei stirnseitigen Anschlägen zu halten. Diese können von der Zwischenlage selber gebildet werden, wenn diese an beiden Seiten aus dem Gelenkgehäuse herausragt und dort die Form schmaler Gummiwülste annimmt. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn die stirnseitigen Anschläge von im Gehäuse umlaufenden Kanten und/oder in dieses eingesetzten Stützringen gebildet werden. Dies ermöglicht nämlich sehr hohe Vorspannungen und trägt außerdem zur Abstützung von Axialkräften bei.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Zwischenlage geteilt, wodurch die Montage vereinfacht wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Zwischenlage in der Äquatorebene der Kugel geteilt, die senkrecht zur Zapfenachse steht. Dies ermöglicht den Aufbau einer sehr hohen Vorspannung in der Zwischenlage, welche eine optimale Reibungshaftung im Gelenkgehäuse garantiert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten elastischen Gelenkes dar­ gestellt worden ist. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein elastisches Gelenk im Querschnitt;

Fig. 2 den Kugelzapfen in perspektivischer Darstellung.

Das elastische Gelenk besteht aus einem Gelenkgehäuse 1 mit einem zylindrischen Auge 2, in das ein Kugelzapfen 3 eingesetzt ist, der in einer Zwischenlage 4 gehaltert ist. Der Kugelzapfen 3 hat eine Kugel 5 mit Ausnehmungen 6, in die komplementär ausgebildete Erhebungen 7 auf dem Innenmantel 8 der Zwischenlage 4 eingreifen.

Die Zwischenlage 4 aus einem gummielastischen Kunststoff ist in der Äquatorebene 9 der Kugel 5 geteilt, die senkrecht zur Zapfenachse 10 steht. Die Hälften der Zwischenlage 4 werden von Stützringen 11, 12 im Gelenkgehäuse 1 gehalten, die groß­ flächig auf den Stirnseiten der Zwischenlage 4 aufliegen. Dabei wird der untere Stützring 11 von einer im Gelenkgehäuse 1 innen umlaufenden Kante 13 gehalten und der obere Stützring 12 wird von einem, in eine Nut des Gelenkgehäuses 1 eingesetzten Sprengring 14 gesichert.

Die Ausnehmungen 6 der Kugel 5 sind, wie aus der Fig. 1 ersichtlich in einem Kugelzapfenquerschnitt durch die Zapfen­ achse 10 linsenförmig. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind beidseitig der Äquatorebene 9, gleichmäßig über den Außen­ mantel 15 der Kugel 5 jeweils sechs Ausnehmungen 6 angeordnet, wodurch eine besonders gleichmäßige Spannungsverteilung in der Zwischenlage 4 erreicht wird. Die Ausnehmungen 6 schneiden auf dem Außenmantel 15 der Kugel 5 annähernd sphärische Dreiecke aus, deren Basis 16 jeweils parallel zur Äquatorebene 9 ausgerichtet ist. Im gezeigten Beispiel hat der Kugelzapfen 3 oben ein Befestigungsauge 17 und zur Montageerleichterung unten eine Befestigungsgabel 18.

Der Kugelzapfen 3 kann als Gußteil (GGG 60) oder als Fließ­ preßteil hergestellt werden.

• Bezugszeichenliste  1 Gelenkgehäuse
   2 Auge
   3 Kugelzapfen
   4 Zwischenlage
   5 Kugel
   6 Ausnehmung
   7 Erhebung
   8 Innenmantel
   9 Äquatorebene
  10 Zapfenachse
  11 Stützring
  12 Stützring
  13 Kante
  14 Sprengring
  15 Außenmantel
  16 Basis
  17 Befestigungsauge
  18 Befestigungsgabel

Claims (4)

1. Elastisches Gelenk, insbesondere für die Lenkerlagerung von Kraftfahrzeugen, mit einem Kugelzapfen (3) und mit einer formschlüssig mit diesem verbundenen, die Gelenkkugel umgebenden, elastischen Zwischenlage (4), die außen unter Vorspannung in einem innen zylindrischen Gelenkgehäuse (1) gehaltert ist, wobei die Kugel (5) Ausnehmungen (6) hat, in die komplementär ausgebildete Erhebungen (7) auf dem Innen­ mantel (8) der Zwischenlage (4) eingreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (6) in einem Kugelzapfenquerschnitt durch die Zapfenachse (10) annähernd linsenförmig sind, daß die Ausnehmungen (6) beidseitig der Äquatorebene (9) der Kugel (5) angeordnet sind, die senkrecht zur Zapfen­ achse (10) steht und daß die Ausnehmungen (6) auf dem Außenmantel (15) der Kugel (5) annähernd sphärische Dreiecke ausschneiden, deren Basis (16) jeweils parallel zur Äquatorebene (9) der Kugel (5) ausgerichtet ist, die senkrecht zur Zapfenachse (10) steht.

2. Elastisches Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (4) von zwei stirnseitigen Anschlägen (11, 12) gehalten wird.

3. Elastisches Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (4) geteilt ist.

4. Elastisches Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage in der Äquatorebene (9) der Kugel (5) geteilt ist, die senkrecht zur Zapfenachse (10) steht.