DE3720137C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit ela­ stischen Polymeren zwischen Kugelpfanne und Kugelschaft.

Kugelgelenke dienen zur Kraftübertragung zwischen Teilen, die sich relativ zueinander bewegen, beispielsweise Fahr­ werksverbindungen in Kraftfahrzeugen. Kennzeichnenderweise beinhalten die Kugelgelenke einen Kugelschaft für die Ver­ bindung mit dem einen und eine Kugelpfanne für die Verbin­ dung mit dem anderen kraftübertragenden Teil. Der Kugelschaft beinhaltet einen Kugelteil, der in einer durch die Kugel­ pfanne gebildeten Kammer angeordnet ist. Zwischen dem Kugel­ teil des Kugelschaftes und der Kugelpfanne ist eine Lager­ schale vorgesehen, um Kräfte zwischen beiden Gelenkteilen zu übertragen und um die Bewegung beider Teile relativ zuein­ ander zu ermöglichen.

In den US-PSen 29 79 353, 38 43 272 und 42 35 558 sind Ku­ gelgelenke offenbart, die als Lagerschalenmaterial elasti­ sche Polymere zwischen Kugelkopf und Kugelpfanne haben. Das Elastomermaterial verformt sich elastisch während der rela­ tiven Bewegung zwischen Kugelschaft und Kugelpfanne. Da das Polymer elastisch ist, ist es bestrebt, die einmal veränder­ te Lage von Kugelschaft und Kugelpfanne zueinander wieder in die ursprüngliche Lage zurückzuführen. Um ein Verrutschen zu verhindern, ist das elastische Polymer mit dem Kugelteil des Kugelschaftes und mit der Kugelpfanne verklebt. Der Klebe­ prozeß ist relativ teuer und verlangt eine intensive Quali­ tätskontrolle.

Eine andere Technik, das Verrutschen des elastischen Poly­ mers in der Kugelpfanne zu verhindern, ist, das elastische Polymer zwischen Kugelteil und Kugelpfanne zu komprimieren oder unter Vorspannung zu setzen. Das bedingt, daß das ela­ stische Polymer fest gegen die Oberfläche der Kugelpfanne gedrückt wird. Diese Technik hat zu einem Problem geführt, nämlich dem Überschußdrehmoment - Hysteresis-Effekt. Im zu­ sammengedrückten Zustand werden beträchtliche innere Span­ nungen in dem Elastomermaterial erzeugt. Wenn sich der Ku­ gelschaft und die Kugelpfanne relativ zueinander bewegt ha­ ben, dann haben sich die inneren Spannungen geändert. Nach­ dem die Kräfte, die die Bewegung verursacht haben, abgeklun­ gen sind, wird sich das Elastomermaterial nicht in seine ursprüngliche Lage zurückbewegen, da die inneren Spannungen nicht mehr dieselben wie bei dem Zusammenbau sind. Deshalb werden Kugelschaft und -pfanne nicht notwendigerweise in ihre ursprünglichen Stellungen zueinander zurückgehen.

Eine weitere Technik, das Verrutschen des elastischen Poly­ mers zu verhindern, ist ein Formschluß zwischen dem Polymer und der Kugelpfanne oder dem Kugelteil, indem Teile der ela­ stomeren Lagerschale in Aussparungen an der Kugelpfanne bzw. in der Oberfläche des Kugelteils hineinragen. Einen derar­ tigen Formschluß bezüglich des Kugelteils zeigen die DE-PS 6 45 875 und die nicht vorveröffentlichte DE-PS 35 45 693, bezüglich der Kugelpfanne die nicht vorveröffentlichte DE-PS 37 00 057 und - bei starren Lagerschalen - das DE-GM 17 29 904.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Auf­ gabe zugrunde, bei einem Kugelgelenk mit formschlüssigen Verbindungen der vorstehend beschriebenen Art zwischen einer elastomeren Lagerschale und dem Kugelteil und/oder zwischen Lagerschale und Kugelpfanne einen besonders wirksamen Form­ schluß herzustellen.

Durch die unterschiedlichen Härtegrade des Elastomermaterials werden die den Formschluß bewirkenden Teile der Lagerschale bei Beanspruchung des Gelenks weniger stark mitverformt als das übrige Material und gewährleisten so einen sicheren Sitz. Vorteilhaft ist es, wenn der Übergang zwischen unterschied­ lichen Härtebereichen nach Patentanspruch 2 fließend ist, da sich z. B. Scherbeanspruchungen so nicht auf eine Stelle kon­ zentrieren.

Probleme wie bei Klebeverbindungen treten bei der Erfindung nicht auf, ferner kaum Hysteresis-Effekte wie bei Lagerscha­ len mit Preßsitz.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht eines Kugelgelenkes;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Kugelgelenk entlang der mit 2-2 bezeichneten Linie in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnitt-Seitenansicht durch ein Kugelge­ lenk in einer anderen Ausführungsform;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Kugelgelenk entlang der mit 4-4 bezeichneten Linie in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Kugelgelenk in einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 6 einen Schnitt durch ein Kugelgelenk entlang der mit 6-6 bezeichneten Linie in Fig. 5;

Fig. 7 bis 9 Unteransichten verschiedener Detailausführun­ gen des Kugelgelenks von Fig. 5;

Fig. 10 einen Schnitt durch ein Kugelgelenk in einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 11 eine Unteransicht des Kugelgelenks von Fig. 10;

Fig. 12 schematische Darstellungen verschiedener Be­ lastungszonen anhand eines Kugelgelenks nach Fig. 1 und

Fig. 13 einen Schnitt durch ein Kugelgelenk mit dem Merkmal der Übergangszone von miteinander ver­ mischten Elastomermaterialien.

Ein Kugelgelenk 20 (Fig. 1) enthält eine Kugelpfanne 22 und einen Kugelschaft 24. Die Kugelpfanne 22 dient zur Verbin­ dung mit einem von zwei kraftübertragenden Teilen. Der Ku­ gelschaft 24 dient zur Verbindung mit dem anderen kraftüber­ tragenden Teil.

Die Kugelpfanne 22 (Fig. 2) enthält einen oberen 32 und einen unteren Teil 34. Der obere 32 und der untere Teil 34 sind aus Blech ausgestanzt. Der obere Teil 32 hat einen kugelförmigen Teil 36 und eine Öffnung 38. Der obere Teil 32 weist ferner noch vier in radialer Richtung austreten­ de Teile 42 (s. Fig. 1) auf, die innere Räume 44 (Fig. 2) bilden. Diese Teile 42 ragen aus dem kugelförmigen Teil 36 auch nach oben (Fig. 2). Der untere Teil 34 hat ebenfalls einen kugelförmigen Teil 46. Der kugelförmige Teil 36 mit den Räumen 44 des oberen Teiles 32 bildet zusammen mit dem kugelförmigen Teil 46 des unteren Teiles 34 eine Kam­ mer 50.

Der Kugelschaft 24 ist ein Stahlschmiedestück und besteht aus dem Kugelkopf 52 und dem daraus herausragenden Schaft 54. Der Kugelkopf 52 wird von der Kammer 50 aufgenommen. Die Äquatorlinie 53 des Kugelkopfes 52 liegt in einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Kugelschaftes 24 steht. Der Schaft 54 ragt aus der Öffnung 38 heraus.

Die Öffnung 38 (Fig. 1) ist gestreckt. Insbesondere ist das Maß A der Öffnung 38 größer als das Maß B. Das Maß B der Öffnung 38 ist geringfügig größer als der Durchmesser des Schaftes 54. Das Maß A ist wesentlich größer als der Durchmesser des Schaftes 54. Dadurch ist der Schaft 54 ge­ zwungen, in Öffnungslängsachse (Maß A) sich zu bewegen. Wenn der Schaft 54 in dem Bereich 56 entlang der Längs­ achse A hin- und herpendelt, dann wird der Kugelkopf 52 relativ zu der Kugelpfanne verschwenkt.

Oberer 32 und unterer Teil 34 sind mit umgebördelten Rän­ dern verbunden. Insbesondere hat das untere Teil 34 Blech­ kappen 62 (s. Fig. 2), die um einen Flansch 66 des oberen Teiles 32 umgebördelt werden. In der Kugelpfanne 22 befin­ den sich auch noch Öffnungen 68 (s. Fig. 1) für eine Ver­ bindung mittels Schrauben oder Nieten mit dem Fahrwerk des Wagens.

Das Elastomermaterial 72 (Fig. 2) ist zwischen der Kugel­ pfanne 22 und dem Kugelschaft 24 eingefügt. Die genaue Zusammensetzung des elastischen Polymers ist bekannt und könnte dieselbe sein, wie dasjenige elastische Polymer, das bei den oben angegebenen US-Patentschriften beschrie­ ben ist. Allgemein ist hier mit Elastomermaterial oder elastischem Polymer jeder Gummi oder gummiartiges Material gemeint. Vorgesehen sind Kunstkautschuk, Kautschuk, Neo­ pren, Butylkautschuk usw.

Während der Herstellung des Kugelgelenkes werden Kugel­ schaft 24 und Kugelpfanne 22 im gewünschten Verhältnis zueinander mittels geeigneten Vorrichtungen gehalten. Das Elastomermaterial 72 wird dann im flüssigen Zustand in die Kammer 50 gespritzt. Das Elastomermaterial 72 umkapselt den Kugelkopf 52. Das Elastomermaterial 72 enthält eine elastische Schicht 76 und füllt mit Teilen 78 die Räume 44. Das Elastomermaterial 72 reicht mit einem Teil 74 bis zu einer bestimmten Höhe um den Schaft 54, um dort als Dich­ tung zu wirken.

Die elastische Schicht 76 des Elastomermaterials 72 ver­ bindet Kugelpfanne 22 und Kugelschaft 24 elastisch mitein­ ander. Wenn der Kugelschaft 24 entlang des Maßes A der Öffnung 38 relativ zur Kugelpfanne 22 sich hin- und herbe­ wegt, wird ein Teil der elastischen Schicht 76 zwischen Kugelschaft 24 und Kugelpfanne 22 (Fig. 2) gepreßt. Durch eine Kompression der Schicht 76 werden innere Kräfte aufge­ baut, die gegen den Kugelschaft 24 drücken und das Bestre­ ben haben, den Kugelschaft 24 wieder in die ursprüngliche Lage relativ zur Pfanne zu zwingen.

Die elastische Schicht 76 hat einen Bandbereich 77 mit re­ lativ gleichmäßiger Stärke, der den Kugelkopf 52 relativ großflächig umschließt. Der Bandbereich 77 wird durch die Pendelbewegung des Kugelschaftes 24 belastet,und er rea­ giert gleichartig auf Belastungen aus allen Richtungen aufgrund seiner relativ gleichmäßigen Stärke. Der Band­ bereich 77 umschließt die Äquatorlinie 53 und erstreckt sich der Länge nach von der Äquatorlinie ausgehend in entgegengesetzten Richtungen entlang des Kugelkopfes 52. Der Bereich 74 nahe der elastischen Schicht 76 und der Bereich gegenüber der Öffnung 38 haben eine andere Stärke als der Bandbereich 77.

Die herausragenden Teile 78 (Fig. 13) liegen relativ zum Bandbereich 77 in Umfangsrichtung und reichen in die Räu­ me 44. Dadurch wird ein Formschluß zwischen Elastomermate­ rial 72 und der Kugelpfanne 22 gebildet, um ein Verrutschen des Elastomermaterials relativ zur Kugelpfanne zu verhin­ dern. Dadurch, daß ein Verrutschen zwischen Elastomermate­ rial 72 und Kugelpfanne 22 verhindert wird, ist sicherge­ stellt, daß die elastische Schicht 76 rund um den Kugel­ schaft 24 nahezu dieselbe Kraft ausübt, die den Kugel­ schaft 24 nach Bewegungen in allen Richtungen relativ zur Kugelpfanne 22 wieder in die ursprüngliche Lage zurück­ zwingt. Da die Beanspruchung der elastischen Schicht 76 hauptsächlich in Richtung des Maßes A der gestreckten Öff­ nung 38 (Fig. 1) geschieht, liegen die Räume 44 an Stellen, wo die Belastungen minimal sind. Die herausragenden Teile 42 liegen in Querrichtung beabstandet außerhalb des Weges 56, auf welchem der Schaft 54 pendelt. Dadurch wird verhin­ dert, daß die herausragenden Teile 78 durch das Pendeln des Schaftbereiches zusammengepreßt werden.

Das Kugelgelenk von Fig. 12 hat die Umfangsbereiche A, B und C. Die senkrechte Belastung des Kugelgelenkes findet hauptsächlich in dem Bereich B statt. Die Querbelastung des Kugelgelenkes findet hauptsächlich in den Bereichen A statt. Die geringste Beanspruchung tritt in den Bereichen C auf. Deshalb befinden sich die Räume 44, die die heraus­ ragenden Teile 78 beinhalten, in den Bereichen C.

Die herausragenden Teile 78 (Fig. 13) sind aus einem Material, das eine relativ höhere Här­ te besitzt als die elastische Schicht 76. Die herausra­ genden Teile 78 widerstehen dadurch besser der Zusammen­ pressung und vermeiden des weiteren das Problem des Über­ schußdrehmoment-Hysteresis-Effektes. Die elastische Schicht 76 (Fig. 13) und die herausragenden Teile 78 werden vorzugsweise aus verschiedenen Elastomerzusammen­ setzungen geformt. Während der Herstellung dürfen die Materialien ineinanderlaufen oder sich mischen, wodurch eine Übergangszone 82 zwischen den Materialien entsteht. Die Übergangszone 82 ist relativ dünn, verhindert aber einen Aufbau von Scherbeanspruchungen, die entlang einer diskreten Trennungslinie auftreten würden, wenn die Mate­ rialien nicht ineinanderfließen würden.

Das Material höherer Härte, das die herausragenden Teile 78 bildet, ermöglicht deshalb einen guten Formschluß, weil es der Zusammenpressung im Gebrauch des Kugelgelen­ kes 20 widersteht. Die Lage der herausragenden Teile 78 ist in Fig. 13 die gleiche wie in den Fig. 1 und 2. Aufgrund ihrer relativen Härte widerstehen somit die herausragenden Teile 78 der Zusammenpressung im Gebrauch des Kugelgelenkes und die Lage der herausragenden Teile führt zu einer sehr geringen Beanspruchung.

Das Kugelgelenk 102, das in Fig. 3 dargestellt ist, ist insbesondere geeignet zur Verbindung gegeneinander be­ weglicher Teile einer Fahrzeuglenkung. Das Kugelgelenk 102 enthält eine Pfanne 112, einen Kugelschaft 114 und ein dazwischen befindliches Elastomermaterial 116.

Die Pfanne 112 enthält ein Gehäuse 122 und eine Abdeckung 124. Die Abdeckung 124 liegt an der Schulter 126 an, die ringförmig im Gehäuse 122 liegt. Ein Randteil 128 des Gehäuses 122 ist über ein Teil der Abdeckung 124 gewalzt, um den Eingriff von Abdeckung und Gehäuse in bekannter Weise zu befestigen. Das Gehäuse 122 hat eine kreisförmi­ ge Öffnung 130, die sich der Abdeckung 124 gegenüber be­ findet. Das Gehäuse 122 und die Abdeckung 124 bilden eine Kammer 156.

Der Kugelschaft 114 enthält einen Kugelteil 132 und einen Schaftteil 134. Im Kugelteil 132 (Fig. 4) liegen mehrere Aussparungen, die in Umfangsrichtung voneinander beabstan­ det sind. Der Kugelteil 132 ist in die Kammer 156 einge­ fügt, um Schwenkbewegungen relativ zur Pfanne 112 ausfüh­ ren zu können. Der Schaftteil 134 ragt aus der Öffnung 130 heraus.

Teile 152 des Elastomermaterials 116 reichen in mehrere Aus­ sparungen 142 hinein, um einen Formschluß zwischen Elastomer­ material und Kugelschaft 114 herzustellen. Der Formschluß zwischen Elastomermaterial 116 und dem Kugelteil 132 des Kugelschaftes 114 verhindert das Verrutschen des Elasto­ mermaterials relativ zum Kugelschaft. Das Elastomermate­ rial 116 enthält eine relativ elastische Schicht 154, die in eine durch das Pfannengehäuse 122 gebildete Kammer 156 eingreift. Die elastische Schicht 154 verbindet den Kugel­ schaft 114 und die Pfanne 112 elastisch miteinander. Die Teile 152 des Elastomermaterials, die in die Aussparungen 142 hineinragen, sind aus einem Material mit höherer Härte, als die elastische Schicht 154 hat, ähnlich wie bei den oben beschriebenen herausragenden Teilen 78.

Das Kugelgelenk 202, das in Fig. 5 dargestellt ist, ent­ hält ein Pfannengehäuse 212, einen Kugelschaft 214, Elastomermaterial 218 und eine Abdeckung 218. Das Kugelge­ lenk 202 enthält einen Formschluß zwischen dem Elastomer­ material 216 und dem Kugelschaft 214, wie in Fig. 6 darge­ stellt, ähnlich wie bei dem Kugelgelenk 102. Das Kugelge­ lenk 202 enthält des weiteren einen Formschluß zwischen dem Elastomermaterial 216 und dem Pfannengehäuse 212 sowie zwischen dem Elastomermaterial und der Abdeckung 218.

Die Abdeckung 218 enthält Öffnungen 232. Die Fig. 7 bis 9 stellen einige mögliche, unterschiedliche Ausführungsformen der Öffnung oder Öffnungen 232 in der Abdeckung 218 dar. Teile 244 des Elastomermaterials 216 (Fig. 5) ragen durch jede der Öffnungen 232 und bilden einen Formschluß zwischen der Elastomerschicht und der Abdeckung 218. Der Formschluß zwischen der Elastomerschicht und der Abdeckung verhindert das Verrutschen des Elastomermaterials relativ zur Ab­ deckung 218.

Das Pfannengehäuse 212 enthält mehrere Räume 234 (Fig. 6), die entlang des inneren Umfangs der von dem Pfannengehäuse gebildeten Kammer angeordnet sind. Die Räume 234 enthalten einen Teil des Elastomermaterials 216, um einen Formschluß zwischen Elastomermaterial und Pfannengehäuse 212 herzu­ stellen. Der Formschluß verhindert das Verrutschen des Elastomermaterials 216 relativ zum Pfannengehäuse 212. Die Räume 234 sind in dem Pfannengehäuse derart angeordnet, daß sie radial gegenüber den von dem Kugelschaft 214 her­ ausragenden Teilen 236 liegen.

Die Teile 244 des Elastomermaterials, die in die Öffnungen 232 und Räume 234 ragen, sind aus einem Material mit höhe­ rer Härte als jenem der elastischen Schicht 242.

Die Fig. 10 und 11 stellen eine weitere Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung dar. Das Kugelgelenk 252 enthält ein weiteres Formschlußmerkmal in der Abdeckung 254. Die Abdeckung 254 enthält eine Anzahl von Teilen 262, die Räume 264 in der Abdeckung begrenzen. Das Elastomer­ material 272 hat Teile 274, welche in die Räume 264 hin­ einragen, um einen Formschluß zwischen Elastomermaterial und Abdeckung zu bilden. Die in die Räume 262 ragenden Teile des Elastomermaterials sind aus einem Material, das eine höhere Härte besitzt als die aus Elasto­ mermaterial bestehende Schicht, die sich zwischen der Pfanne 282 und dem Kugelschaft 284 befindet, wie auch schon oben für das Kugelgelenk 202 beschrieben wurde.

Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß ein verbessertes Kugelgelenk in mehreren Ausführungen geschaffen ist. Eine Ausführung, das Kugelgelenk in Fig. 5, enthält mehrere Formschlußverbindungen, nämlich die zwischen dem Elasto­ mermaterial 216 mit dem Pfannengehäuse 212, dem Kugel­ schaft 214 und der Abdeckung 218. Das Elastomermaterial 216 enthält eine elastische Schicht 242, die das Pfannen­ gehäuse 212 elastisch mit dem Kugelschaft 214 verbindet. Das Elastomermaterial 216 enthält ebenfalls Teile 244, die in von Flächen begrenzte Aussparungen im Kugelschaft 214, im Pfannengehäuse 212 (Fig. 6) und in die Öffnungen 232 (Fig. 5) hineinragen. Die hineinragenden Teile 244 sind aus einem Material, das eine höhere Härte als die elastische Schicht 242 hat.

Claims (2)

1. Kugelgelenk mit

• - einer Pfanne, die eine Kammer bildet und eine Öffnung auf­ weist;
• - einem Kugelschaft mit einem in der Kammer angeordneten Ku­ gelteil und einem daran anschließenden, durch die Öffnung herausragenden Schaftteil;
• - und mit einer Lagerschale aus Elastomermaterial, die mit dem Kugelteil und/oder der Pfanne formschlüssig verbunden ist, wobei die den Formschluß bewirkenden Teile der Lager­ schale in Aussparungen (44, 234, 142, 238) an der Pfanne bzw. in der Oberfläche des Kugelteils hineinragen und von größerer Härte als das Elastomermaterial der übrigen Be­ reiche der Lagerschale sind.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Elastomermaterials von größerer Härte mit dem übrigen Elastomermaterial durch Übergangszonen verbunden sind, in denen Material von größerer Härte mit solchem von geringerer Härte vermischt ist.