DE3843331C2

DE3843331C2 -

Info

Publication number: DE3843331C2
Application number: DE3843331A
Authority: DE
Inventors: Takao Fukuroi Shizuoka Jp Fukukawa; Masahiro Shizuoka Jp Yamada
Original assignee: Somic Ishikawa KK
Current assignee: Somic Ishikawa KK
Priority date: 1987-12-25
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1993-07-15
Also published as: JPH01172610A; US4904107A; DE3843331A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem zylinderförmigen Gehäuse, in dessen axialer Zylinderöffnung ein Lagersatz aus hartem Kunststoff zur gleitbeweglich schwenk- und verdrehbaren Aufnahme einer mit einem Gelenkzapfen verbundenen Gelenkkugel angeordnet ist, wobei der Lagersitz eine offene Stirnseite für den Durchtritt des Gelenkzapfens aufweist, im Bereich seiner axialen Enden mit flanschartig radial nach außen vorspringenden Ringvorsprüngen versehen ist, deren axial innenliegende Ringstirnflächen mit den Stirnflächen des Gehäuses zusammenwirken, um den Lagersitz formschlüssig in dem Gehäuse zu halten, und wobei am Außenumfang des der offenen Stirnseite des Lagersitzes zugeordneten Ringvorsprungs ein Randwulst einer mit ihrem anderen Ende am Gelenkzapfen befestigten Balgdichtung gehalten ist.

Kugelgelenke, die als Verbindungen in Kraftfahrzeug-Lenkgetrieben und Kraftfahrzeug-Aufhängungen verwendet werden, müssen ein ausreichendes Maß an Steifigkeit aufweisen und in der Lage sein, glatt zu schwenken und oszillierende Bewegungen auszuführen. Um diesen Anforderungen zu entsprechen, haben die herkömmlichen Kugelgelenke im allgemeinen den folgenden Aufbau, obwohl dieser die Herstellungskosten erhöht. Ein Kugelkopf eines metallischen Kugelbolzens, der mit einem intagral ausgebildeten Schaft versehen ist, der von dem Kugelkopf vorsteht, wird gleitbar in einem Lagersitz aufgenommen, der aus hartem Kunststoff besteht. Der Lagersitz ist in ein Metallgehäuse von einer ersten Öffnung an einem Ende des Gehäuses her eingepreßt. Der Schaft des Kugelzapfens kann aus einer zweiter Öffnung am anderen Ende des Gehäuses hervorstehen. Ein Metalleinsatz bzw. -stopfen ist über die erste Öffnung des Gehäuses aufgesetzt, um den Lagersitz gemeinsam mit dem Kugelkopf des Kugelbolzens in dem Gehäuse zu halten. Eine Gummi-Staubdichtung ist vorgesehen, um ein Gebiet zwischen dem anderen Ende des Gehäuses und dem Schaft des Kugelbolzens abzudecken. Diese Staubdichtung ist mit einer Metallklammer an dem Gehäuse befestigt.

Um die Kosten der Kugelgelenke dieses Typs zu vermindern, wird gegenwärtig eine Konstruktion verwendet, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Ein Kugelkopf 1a bildet einen Metallkugelbolzen 1 mit einem Schaft 1b, der integral einstückig mit diesem ausgebildet ist und von dem Kopf 1a hervorgeht, und dieser Kugelkopf ist gleitbar in einem Lagersitz 2 aus hartem Kunststoff aufgenommen. Dieser Lagersitz 2 ist in ein Metallgehäuse 3 von einer Öffnung 3a an einem Ende des Gehäuses 3 her eingepreßt. Der Schaft 1a des Kugelbolzens 1 kann durch eine zweite Öffnung 3b am anderen Ende des Gehäuses 3 vorstehen.

Ein dünner Eingriffsabschnitt 3c außerhalb der ersten Öffnung 3a des Gehäuses 3 wird über den ersten Lagersitz 2 verstemmt, um den Lagesitz 2 zusammen mit dem Kugelkopf 1a des Kugelbolzens 1 in dem Gehäuse 3 ohne Verwendung eines Stopfens oder einer Abdeckung zu halten. Eine Gummi-Staubdichtung 4 wird verwendet, um den Bereich zwischen dem anderen Ende des Gehäuses 3 und dem Schaft 1b des Kugelbolzens 1 abzudecken. Die Staubdichtung 4 ist an dem Gehäuse durch eine Metallklammer 5 bzw. einen Metallbügel befestigt.

In dem herkömmlichen Kugelgelenk nach Fig. 6 ist der Stopfen bzw. die Abdeckung der Öffnung 3a beseitigt und entsprechend sind die Kosten vermindert. Das Gehäuse 3 bleibt jedoch in seinem Aufbau genauso kompliziert, wie wenn ein Stopfen verwendet würde und es erfordert auch, daß ein domförmiger Hohlabschnitt 3d im Inneren des Gehäuses 3 nahe dem anderen Ende ausgebildet wird und daß der dünne Eingriffsabschnitt 3c an einem Ende des Gehäuses ausgebildet wird. Dies erfordert spanabhebende Bearbeitungsprozesse bei der Herstellung.

Aus dem DE-GM 71 13 247 ist ein Kugelgelenk, insbesondere für Wischeranlagen in Kraftfahrzeugen bekannt, bei dem eine Kunststoff-Kugelschale des Gelenkes in einen Durchbruch einer Gelenkstange eingerastet ist und mit einem warmverformbaren Halterungsvorsprung an der Gelenkstange festlegbar ist. Eine derartige Aufnahme erweist sich jedoch als nicht hinreichend verschleißfest, wenn über das Kugelgelenk beträchtliche Kräfte in wechselnden Richtungen übertragen werden müssen, wie dies z. B. im Rahmen der Radaufhängung von Lenkgetrieben für Kraftfahrzeuge der Fall ist.

Aus der FR-PS 13 99 174 ist ein Kugelgelenk bekannt, das in Verbindung mit einem Lagersitz einen nach außen offenen U-förmigen Ringkanal entlang des Lagersitzes der Gelenkkugel angeordnet ist, in der ein Umfangsrandabschnitt einer Balgdichtung mit einem Haltering aufgenommen ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk der eingangs genannten Art zu verbessern, derart, daß es einen verhältnismäßig einfachen Gehäuseaufbau besitzt, zugleich jedoch kompakt und gegenüber Umgebungseinflüssen, wie Spritzwasser, Staub etc. geschützt ist, so daß es eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß benachbart der offenen Stirnseite des Lagersitzes an diesem ein weiterer Ringvorsprung ausgebildet ist, der zusammen mit dem Außenumfang des der offenen Stirnseite des Lagersitzes zugeordneten Ringvorsprungs und der benachbarten Stirnfläche des Gehäuses eine im Querschnitt im wesentlichen U-förmige Aufnahmenut für den Randwulst der Balgdichtung bildet.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil-Querschnitt eines Kugelgelenkes nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des Kugelgelenkes,

Fig. 3 einen Teil-Querschnitt des montierten Kugelgelenkes,

Fig. 4 einen teilweise vergrößerten Querschnitt eines Lagersitzes des Kugelgelenkes im Teilschnitt,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Gehäuses eines Kugelgelenkes nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 6 einen Teil-Querschnitt eines herkömmlichen Kugelgelenkes.

Ein Kugelgelenk sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kugelgelenkes werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 1 bis 5 erläutert.

In den Fig. 1 bis 3 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen metallischen Kugelbolzen, der aus einem Kugelkopf 11a, einem Schaft 11b, der integral einstückig mit dem Kugelkopf 11a ausgebildet ist, und einem Flansch 11c besteht, ausgebildet am Außenumfang des Zwischenabschnittes des Schaftes 11b. Ein Abschnitt des Schaftes 11b über dem Flansch 11c ist an seinem Außenumfang mit Außengewinde 11d versehen, so daß der Schaft 11d leicht in andere Teile eingeschraubt werden kann.

Mit 12 ist ein Lagersitz bezeichnet, der aus hartem synthetischen Material, d. h. Kunststoff, wie z. B. Polyacetal-Kunstharz, besteht, das selbstschmierend ist und einen hohen Lastwiderstand bei kleinem Reibungskoeffizienten aufweist. Der Lagersitz 12 hat die Form eines Zylinders mit einem Boden und hat einen hohlen Kugelabschnitt 12a, der in dem Zylinder ausgebildet ist und der den Kugelkopf 11a des Kugelbolzens aufnimmt. Der Lagersitz 12 besitzt eine Öffnung 12b an einem Ende für den Schaft 11b des Kugelbolzens 11. Der Innendurchmesser der Öffnung 12b ist kleiner als der Außendurchmesser des Kugelkopfes 11a, jedoch größer als der Außendurchmesser des Schaftes 11b.

Am Außenumfang des Lagersitzes 12 an der Seite der Öffnung 12b sind zwei Eingriffsstufen 12c, 12d unterschiedlichen Außendurchmessers ausgebildet. Am anderen Ende ist eine zylindrische Eingriffskante 12e ausgebildet. Die Eingriffskante 12e und die Eingriffsstufe 12c bilden Eingriffsabschnitte, die die Enden des Gehäuses 13 halten, wie nachfolgend noch erläutert wird.

An der Innenfläche des hohlen Kugelabschnittes 12a des Lagersitzes 12 ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, eine große Anzahl kreisförmiger Flachbereiche 12f ausgebildet, die dadurch hergestellt sind, daß Teile der Kugeloberfläche flach ausgebildet bzw. abgeplattet oder abgeflacht sind. Das Gehäuse 13 ist ein Metallgehäuse, das aus einem kurzen Zylinderkörper 13a mit den beiden Öffnungen 13c und 13d, die offen sind, um den Lagersitz 12 aufzunehmen, und aus einer Welle 13b besteht, die integral an einer Seite des Körpers 13a angreift, um das Gehäuse 13 mit anderen Teilen zu verbinden. Der Innendurchmesser des Gehäusekörpers 13a ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Lagersitzes 12.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besitzt der Gehäusekörper 13 eine Mehrzahl von Eingriffsausnehmungen 13e, die an der Innenseite der Öffnung 13d an dem einen Ende ausgebildet sind, das der Eingriffskante 12e des Lagersitzes 12 zugewandt gegenüberliegt.

In Fig. 3 ist mit 21 eine Aufnahmevorrichtung bezeichnet und mit 22 eine Verstemm- bzw. Verbindungsvorrichtung oder Umformvorrichtung. Die Aufnahmevorrichtung 21 besitzt eine Ausnehmung 21a an ihrer Oberseite, mit der das Ende des Lagersitzes 12 an der Seite der Öffnung 12b im Eingriff ist. In der Mitte der Ausnehmung 21a ist eine Durchgangsbohrung bzw. Durchgangsausnehmung 21b ausgebildet, in die der Schaft 11b des Kugelbolzens 11 eingesetzt wird. Die Verstemmvorrichtung 22 ist gemeinsam mit der Aufnahmevorrichtung 21 in einer Presse montiert und bewegt sich relativ zur Oberseite des Aufnahmewerkzeuges 21 aufwärts und abwärts. An seiner Unterseite besitzt das Verstemmwerkzeug 22 einen kreisförmigen Preßvorsprung 22a, der mit dem Ende des Gehäusekörpers 13a im Bereich nahe der Eingriffskante 12e des Lagersitzes 12 in Eingriff kommt. Ebenfalls am unteren Ende der Verstemmvorrichtung 22 ist ein kreisförmiger Verstemm- oder Umformvorsprung 22b so ausgebildet, daß er konzentrisch zu dem Preßvorsprung 22a liegt. Der kreisförmige Formgebungsvorsprung 22b biegt die Eingriffskante 12e des Lagersitzes 12 nach außen.

Der Formgebungsvorsprung 22b der Verstemmvorrichtung 22 wird auf eine Temperatur ungefähr 5° unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes erwärmt, aus dem der Lagersitz 12 besteht.

Das Kugelgelenk wird wie folgt montiert. Der Kugelkopf 11a des Kugelbolzens 11 wird in Richtung des Pfeiles A in Fig. 2 in den hohlen Kugelabschnitt 12a des Lagersitzes 12 durch die Öffnung 12b an einem Ende eingepreßt. Anschließend wird, wie durch den Pfeil B in Fig. 2 angedeutet ist, der Lagersitz 12, der dann den Kugelkopf 11a des Kugelbolzens 11 enthält, in den Körper 13a des Gehäuses 13 von der Seite der Eingriffskante 12e her eingepreßt, so daß die Eingriffskante 12e aus der Öffnung 12d des Gehäusekörpers 13a hervorgeht, die an dem Ende ausgebildet ist, wo die Eingriffsausnehmungen 13e ausgebildet sind. Das Einpressen erfolgt, bis die Eingriffsstufe 12c des Lagersitzes 12 mit dem Ende des Gehäusekörpers 13a an der Seite der Öffnung 13c im Eingriff ist. Anschließend wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, der Schaft 11b des Kugelbolzens 11, der von dem in den Gehäusekörper 13 eingesetzten Lagersitz 12 hervorgeht, in die Durchgangsöffnung bzw. -bohrung 21b des Aufnahmewerkzeuges 21 eingesetzt. Das Ende des Lagersitzes 12 an der Seite der Öffnung 12b wird in Kontakt mit der Ausnehmung 21a des Aufnahmewerkzeuges 21 gebracht. Anschließend wird das Verstemm- bzw. Umformwerkzeug 22 abgesenkt, wie dies durch den Pfeil C angegeben ist, und zwar auf den Lagersitz 12 und den Gehäusekörper 13a, die auf der Oberseite des Aufnahmewerkzeuges 21 aufliegen. Im Ergebnis biegt der Formgebungsvorsprung 22b des Umformwerkzeuges 22 die Eingriffskante 12e des Lagersitzes 12 nach außen, bis diese über das Ende des Gehäusekörpers 13a an der Seite der Öffnung 13d umgelegt ist. Gleichzeitig gelangt der Preßvorsprung 22e des Umformwerkzeuges 22 in Eingriff mit dem Ende des Gehäusekörpers 13a an der Seite der Öffnung 13d. Dies führt dazu, daß, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Eingriffsstufe 12c des Lagersitzes 12 an einem Ende und die umgebogene Eingriffskante 12e am anderen Ende das Gehäuse 13 von beiden Enden her einklemmt, so daß die drei Teile Kugelbolzen 11, Lagersitz 12 und Gehäuse 13 zusammengehalten werden.

Da während des Verstemmschrittes der Formgebungsvorsprung 22b des Umformwerkzeuges 22 auf eine Temperatur ungefähr 5°C unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes, aus dem der Lagersitz 12 besteht, erwärmt wird, wird die Eingriffskante 12e des Lagersitzes 12, die über das Ende des Gehäusekörpers 13a an der Seite der Öffnung 13d umgebogen wurde, nach dem Verstemmen nicht spröde. Diese umgeformte Eingriffskante 12e behält die gleiche hohe Festigkeit, als wenn sie direkt von vornherein in diesen Endformzustand gemäß Fig. 1 geformt worden wäre, und kann somit das Gehäuse 13 fest gegen Belastungen festhalten, die in Richtung des Pfeiles D in Fig. 1 einwirken.

Die Umform-Eingriffskante 12e des Lagersitzes 12 greift auch in die Mehrzahl der Eingriffsausnehmungen 13e in dem Gehäusekörper 13a ein, so daß sie den Lagersitz 12 und das Gehäuse 13 fest zusammenhält, so daß die Möglichkeit eines Relativschlupfes oder einer relativen Drehbewegung der beiden Teile zueinander vermieden ist.

Bei dem auf diese Weise montierten Kugelgelenk wird eine große Zahl kreisförmiger flacher Abschnitte 12f, die an dem hohlen Kugelabschnitt 12a des Lagersitzes 12 ausgebildet sind, elastisch gegen den Kugelkopf 11a des Kugelbolzen 11 gepreßt, so daß dann, wenn der Schaft 11b des Kugelbolzens 11 sich relativ zur Welle 13b des Gehäuses 13 bewegt, eine glatte Gleitbewegung spielfrei mit angemessenem Gleitwiderstand und Steifigkeit zwischen dem hohlen Kugelabschnitt 12a und dem Kugelkopf 11a erhalten wird.

Spalte t zwischen dem Kugelkopf 11a des Kugelbolzens 11 und dem hohlen Kugelabschnitt 12a des Lagersitzes 12 (in diesem Ausführungsbeispiel 0,05 mm) enthalten Schmieröl, um zu verhindern, daß der Kugelkopf 11a in dem hohlen Abschnitt 12a anhaftet oder hängenbleibt, wenn eine Gleitbewegung zwischen diesen Teilen mit hoher Frequenz stattfindet.

Die Anordnung aus Kugelbolzen 11, Lagersitz 12 und Gehäuse 13 wird aus dem Aufnahmewerkzeug 21 durch Anheben des Umformwerkzeuges 22 in gleicher Weise wie in Fig. 3, entnommen. Anschließend wird eine Staubdichtung 15 aus Gummi zwischen dem Ende des Gehäusekörpers 13a an der Seite der Öffnung 13c und dem Flansch 12c des Schaftes 11b des Kugelbolzens 11 installiert. Das Ende der Staubdichtung 15 wird durch eine Metallklammer 16 in einer Nut 17, ausgebildet zwischen dem Ende des Gehäuses 13 an der Seite der Öffnung 13c und der Eingriffsstufe 12d des Lagersitzes 12 befestigt.

Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel nur ein Ende des Lagersitzes 12 über das Ende des Gehäuses 13 verstemmt bzw. umgebogen oder umgeformt wurde, ist es möglich, beide Enden des Lagersitzes 12 über die Enden des Gehäuses 13 umzubiegen.

Die Vorteile eines solchen Kugelgelenkes können wie folgt zusammengefaßt werden. Da der Eingriffsabschnitt, der an jedem Ende des Lagersitzes ausgebildet ist und der aus einem leicht deformierbaren Kunststoff besteht, so ausgebildet ist, daß er mit dem jeweils zugehörigen Ende des Gehäuses in Eingriff kommen kann, besteht keine Notwendigkeit, im Inneren des Lagersitzes 12 einen domförmigen Abschnitt auszubilden oder das Gehäuse mit dünnen Eingriffsabschnitten zu versehen. Dies ermöglicht es, das Gehäuse in einer sehr einfachen Form auszuführen, so daß die Herstellung des Gehäuses leicht und die Kosten vermindert werden.

Das Erwärmen des Eingriffsabschnittes des Kunststoff-Lagersitzes während des Prozesses der Umformung bzw. während des Umbiegens des Eingriffsabschnittes über das Ende des Gehäuses führt dazu, daß der umgebogene Eingriffsabschnitt nicht spröde wird, so daß der umgebogene Eingriffsabschnitt die gleiche hohe Festigkeit behält, wie wenn er direkt ursprünglich in seine umgebogene Form gebracht worden wäre. Somit kann das Gehäuse fest mit dem Lagersitz verbunden und an diesem befestigt werden.

Claims

1. Kugelgelenk mit einem zylinderförmigen Gehäuse (13), in dessen axialer Zylinderöffnung ein Lagersitz (12) aus hartem Kunststoff zur gleitbeweglich schwenk- und verdrehbaren Aufnahme einer mit einem Gelenkzapfen (F11b) verbundenen Gelenkkugel (11a) angeordnet ist, wobei der Lagersitz (12) eine offene Stirnseite für den Durchtritt des Gelenkzapfens (11b) aufweist, im Bereich seiner axialen Enden mit flanschartig radial nach außen vorspringenden Ringvorsprüngen (12c, 12e) versehen ist, deren axial innenliegende Ringstirnflächen mit den Stirnflächen des Gehäuses (13) zusammenwirken, um den Lagersitz (12) formschlüssig in dem Gehäuse (13) zu halten, und wobei am Außenumfang des der offenen Stirnseite des Lagersitzes (12) zugeordneten Ringvorsprungs (12c) ein Randwulst einer mit ihrem anderen Ende am Gelenkzapfen (11b) befestigten Balgdichtung (15) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der offenen Stirnseite des Lagersitzes (12) an diesem ein weiterer Ringvorsprung (12d) ausgebildet ist, der zusammen mit dem Außenumfang des der offenen Stirnseite des Lagersitzes (12) zugeordneten Ringvorsprungs (12c) und der benachbarten Stirnfläche des Gehäuses (13) eine im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Aufnahmenut (17) für den Randwulst der Balgdichtung (15) bildet.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der offenen Stirnseite des Lagersitzes (12) abgewandte Ringvorsprung (12e) durch in einem Warmpreßvorgang erfolgendes Abbiegen eines ursprünglich ringzylindrischen Fortsatzes des Lagersitzes (12) gebildet ist.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche des Ringvorsprungs (12e) beim Warmpreßvorgang in Vertiefungen entlang der Innenkante der dazugehörigen Stirnfläche des Gehäuses (13) eingedrückt sind.