DE4211897A1 - Kugelgelenk für Teile der Lenkung oder Radaufhängung von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für Teile der Lenkung oder Radaufhängung von Kraftfahrzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.

Ein Kugelgelenk dieser Ausbildung ist aus DE-PS 22 35 874 be­ kannt. Um die den Kugelkopf des Gelenkzapfens über dessen äqua­ torialen Durchmesser hinaus umschließende, aus Kunststoff be­ stehende Lagerschale auf den Kugelkopf aufbringen zu können, ist diese, was jedoch nicht dargestellt ist, ausgehend vom Schalenrand, mit in gleichen Winkelabständen voneinander vor­ gesehenen, sich entlang jeweils einer Mantellinie erstreckenden Schlitzen ausgestattet, deren Länge im wesentlichen der axialen Länge des zylindrischen Schalenumfangsteils bzw. der halben Axiallänge der Lagerschale entspricht. Die Lagerschale ist durch einen ein Sicherungsglied bildenden, geschlitzten Feder­ ring in der Gehäuseausnehmung festgelegt. Dieser Federring sitzt in einer in die Innenwand der Gehäuseausnehmung einge­ stochenen Ringnut, stützt sich auf der durch die Schlitze un­ terbrochenen Lagerschalenstirnfläche ab und übt dabei auf die durch die Schalenschlitze gebildeten Schenkel der Lagerschale in der Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenkes, d. h. in Rich­ tung den Boden der Gehäuseausnehmung eine axial gerichtete An­ preßkraft aus.

Unter der Wirkung dieser Anpreßkraft unterliegen die Schalen­ schenkel einer Druckbelastung, wodurch, aufgrund vorhandener Toleranzen zwischen den Flächen von Kugelmantel, Lagerschenkeln und dem zylindrischen Wandabschnitt der Gehäuseausnehmung, die Schalenschenkel verformt werden und lediglich bereichsweise mit der Mantelfläche des Kugelkopfes flächig in Berührung sind.

Dies hat zur Folge, daß sich, trotz der durch den Federring auf die Lagerschale permanent ausgeübten Anpreßkraft, über die Standzeit des Kugelgelenkes das Radialspiel zwischen Kugelkopf und Lagerschale, bedingt durch deren Verschleiß, vergrößert und dadurch hohe Reibmomentschwankungen unvermeidlich sind. Dadurch verschlechtert sich beispielsweise die Schwingungsabkopplung über Querlenker-Gummilager, in dem bei einem zum Beispiel als Traggelenk eingesetzten Kugelgelenk die Kopplung zwischen einem Radträger und einem Querlenker, in Folge des sich vermindernden Reibmoments, entsprechend verringert wird.

Als weitere Folge der auf die Lagerschale ausgeübten Anpreß­ kraft ist der Kugelkopf des Gelenkzapfens in der Lagerschale derart eingespannt, daß zu dessen Verschwenken ein Losbrech­ moment zu überwinden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 so zu ver­ bessern, daß in der Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenks über dessen Standzeit die radiale Führung des Kugelkopfes in der Lagerschale weitgehend konstant bleibt und auf diesen ein gewünschtes Reibmoment aufbringbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Lagerschale gewährleistet, daß sie, bedingt durch ihre radiale Vorspannung, ständig spiel frei am Kugelkopf des Gelenkzapfens anliegt.

Eine aufgrund sich einstellenden Schalenverschleißes bedingte Verlagerung des Kugelkopfes innerhalb der Lagerschale kann da­ bei, durch ihre radiale Vorspannung zwischen zylindrischem Wandabschnitt in der Gehäuseausnehmung und äquatorialem Durch­ messer des Kugelkopfes, nur noch koaxial zum gehäuseseitigen, zylindrischen Randabschnitt erfolgen. Dadurch bleibt jedoch das anfänglich eingestellte Reibmoment zwischen äquatorialem Durch­ messer des Kugelkopfes und der Lagerschale weitgehend konstant.

Neben einem Kugelgelenk gemäß DE-PS 22 35 874, von dessen Kon­ struktion die Erfindung ausgeht, ist aus UK 21 04 590 A bereits ein Kugelgelenk mit einer den Kugelkopf aufnehmenden, radial geschlitzten Lagerschale bekannt, die mit einem zylindrischen Umfangsflächenteil koaxial in einer zylindrischen Ausnehmung des durch eine Blechhülse gebildeten Gelenkgehäuses angeordnet ist.

Beiderseits des zylindrischen Umfangsflächenteils sind an die Lagerschale konische Umfangsflächenteile angeformt, von denen die eine an einem elastischen Dichtring und die andere an einem elastischen Druckring anliegt.

In montiertem Zustand stützt sich der Dichtring an einem In­ nenflansch der Blechhülse ab, während sich am Druckring ein in die Blechhülse eingebördelter Verschlußdeckel abstützt. Dabei ist zwischen dem zylindrischen Umfangsflächenteil der Lager­ schale und dem Innenumfang der Blechhülse ein Radialabstand vorhanden.

Beim Einbördeln des Verschlußdeckels ist somit die Lagerschale in radialer Richtung nicht definiert vorspannbar, da das Mate­ rial von Druckring und Dichtring fließt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 2 bietet den Vorteil, daß bei einem Abrieb der Lagerschale in der Haupt­ belastungsrichtung des Kugelgelenkes die den Kugelkopf abstüt­ zende, innere Ringkante der sich nach innen konisch verjüngen­ den Schalenöffnung verschleißt, was zu einer Vergrößerung des Durchmessers der Schalenöffnung, gleichzeitig jedoch zu einer Verminderung der Flächenpressung im Öffnungsbereich derselben führt.

Diese Ausführungsform bietet außerdem den Vorteil, daß sich für das Kugelgelenk über den Lagerschalenverschleiß ein gewünschter Verlauf des Reibmoments bestimmen läßt, wozu rechnerisch die Konizität der Lagerschalenöffnung festzulegen ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 3 bietet den Vorteil, die zuvor in radialer Richtung bereits definiert vorgespannte Lagerschale, zusammen mit von dieser aufgenommenem Kugelkopf, in der Flanschbuchse komplett vormontiert, in die Ausnehmung des Gelenkgehäuses einsetzen zu können, wobei als weiterer Arbeitsgang lediglich noch der Gehäusekragen zur ge­ häusefesten Fixierung der die Lagerschale aufnehmenden Flansch­ buchse umzubördeln ist.

Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 bieten den Vorteil, daß die den Kugelkopf umschließenden, von der Flanschbuchse jedoch nicht mit radialer Vorspannung aufge­ nommenen Mantelabschnitte der Lagerschale dennoch mit dem Man­ tel des Kugelkopfes spaltfrei in Berührung gehalten werden.

Der gleiche Effekt wird durch die Merkmale des Patentanspruches 4 in Verbindung mit denjenigen des Patentanspruches 6 erzielt, wobei der Ringkragen der Flanschbuchse sich zugleich für eine vorteilhafte Abdichtung des Gelenkgehäuses an der Austritts­ stelle des Gelenkzapfens nutzen läßt.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7 bestehen die, gemäß den Patentansprüchen 4 oder 5 den Kugelkopf übergreifenden Teile der Flanschbuchse sowie der Ringkragen aus Kunststoff, wodurch sich das Gewicht der Flanschbuchse verrin­ gern läßt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 8 bietet den Vorteil, die Lagerschale lediglich mit ihrem zylindrischen Umfangsflächenteil in die Flanschbuchse einbringen zu müssen, wobei die elastisch nachgiebigen Rückhaltesegmente ihres aus Kunststoff bestehenden Formkörpers zugleich den Kugelkopf über einen weiteren Umfangsbereich umschließen.

Dabei ist eine zuverlässige Sicherung des Gelenkzapfens gegen Herauslösen aus dem Gelenkgehäuse in einfacher Weise gemäß Pa­ tentanspruch 9 zu erreichen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar­ gestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kugelgelenk

Fig. 2 einen in Fig. 1 durch einen strichpunktierten Kreis angedeuteten Ausschnitt, in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 u. 4 Teilschnitte durch das Kugelgelenk zur Veran­ schaulichung von Konstruktionsvarianten seiner die Lagerschale aufnehmenden Flanschbuchse.

Das in Fig. 1 gezeigte Kugelgelenk ist bspw. als Traggelenk für einen Radträger eines Fahrzeugrades konzipiert. Es weist ein innen napfartiges Gelenkgehäuse 10 mit einem an dieses ange­ formten, einen Gewindeschaft 12 tragenden Anschlußkonus 14 auf, mit dessen Hilfe dasselbe in einer komplementär konischen Auf­ nahmeöffnung eines Radträgers durch Verspannen befestigbar ist.

In einer Gehäuseausnehmung 16 ist ein Kugelkopf 18 eines Ge­ lenkzapfens 20 beweglich gehalten. Der Kugelkopf 18 ist zwecks einer taumelfähigen Anordnung des Gelenkzapfens 20 in einer aus elastischem und gleitfähigem Kunststoff gespritzten Lagerschale 22 spielfrei gelagert. Diese Lagerschale 22 ist von einem an ihren Stirnenden ausmündenden Schlitz 24 durchsetzt. Sie weist in ihrem, dem Boden 23 der Gehäuseausnehmung 16 zugekehrten Wandbereich vorzugsweise eine sich nach innen konisch verjün­ gende Öffnung 25 verhältnismäßig großen Durchmessers auf, in welche der Kugelkopf 18 eingreift. Des weiteren weist die La­ gerschale 22 außen einen mittleren, zylindrischen Umfangsab­ schnitt 26 sowie sich beidseitig an diesen anschließende, sich konisch verjüngend. Umfangsabschnitte 28 und 30 auf.

Mit den Umfangsabschnitten 26 und 28 ist die Lagerschale 22 von einer vorzugsweise aus Stahl bestehenden Flanschbuchse 32 auf­ genommen, die ihrerseits mit Preßsitz in einem zylindrischen Wandabschnitt 34 der Gehäuseausnehmung 16 gehalten ist.

Mit ihrem konischen Umfangsabschnitt 30 ist die Lagerschale 22 an einer komplementären, ringförmigen Abstützfläche 36 der Ge­ häuseausnehmung 16 abgestützt. Sie weist, über den Schalenin­ nenumfang verteilt, taschenartige Vertiefungen 38 zur Aufnahme eines Schmiermittels auf, die derart angeordnet sind, daß sie sich in der Konstruktionslage des Gelenkzapfens 20 (Fig. 1) zu beiden Seiten des äquatorialen Kugelkopfdurchmessers 40 befin­ den. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, verbleibt dabei zwischen den oberen und unteren Vertiefungen 38 am Schaleninnenumfang eine in Umfangsrichtung geschlossene, lediglich durch den Schlitz 24 durchtrennte und sich quer zum äquatorialen Kugel­ kopfdurchmesser 40 symmetrisch ausdehnende, ringförmige Lager­ fläche 42.

Mit dem konischen Umfangsabschnitt 28 stützt sich die Lager­ schale 22 an einem komplementär konischen Innenumfangsflächen­ teil 44 der Flanschbuchse 32 ab.

Die Flanschbuchse 32 weist einen Außenflansch 46 auf, der sich nach deren Einbau in das Gelenkgehäuse 10 innerhalb eines Ge­ häusekragens 48 befindet, der zur Fixierung der Flanschbuchse 32 durch teilweises Umbördeln an den Außenflansch 46 angelegt wird.

An die Flanschbuchse 32 ist vorzugsweise ein über den umgebör­ delten Gehäusekragen 48 vorstehender Ringkragen 50 angeformt, der sich innen, im Anschluß an den sich nach außen konisch ver­ jüngenden Innenumfangsflächenteil 44 der Flanschbuchse 32 zur Erzielung eines gewünschten Beugewinkeis des Gelenkzapfens 20 nach außen konisch erweitert. Dieser Ringkragen 50 bietet die Möglichkeit einer vorteilhaften Abdichtung des Gelenkgehäuses 10. Hierzu ist beispielsweise in den Außenumfang des Ringkra­ gens 50 eine im Querschnitt vorzugsweise hohlkehlenförmige Ringnut 51 eingeformt, in die eine auf den Gelenkzapfen 20 aufgesteckte und sich an einem auf diesen aufgebrachten, aus Kunststoff bestehenden Abstützring 52 abstützende und mittels eines Spannringes 54 abdichtend gehaltene Abdichtmanschette 56 einvulkanisiert ist. Durch das Einvulkanisieren kann auf die Anordnung eines ansonsten notwendigen Spannringes verzichtet und eine Verletzungsgefahr bei dessen Montage vermieden werden.

Der Gelenkzapfen 20 kann, bezogen auf die Fig. 1, auch aus dem Gehäuseboden 23 herausgeführt sein. In diesem Falle ist die Flanschbuchse 32 ringkragenfrei und geschlossen auszubilden.

Miteinander korrespondierende Durchmesserabmessungen von Ku­ gelkopf 18, Lagerschale 22 und Flanschbuchse 32 sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Lagerschale 22 im Bereich des äquatorialen Durchmessers 40 des Kugelkopfes 18 zwischen diesem und der Flanschbuchse 32 mit einer ein gewünschtes Reibmoment bestimmenden, radialen Verspannung gehalten ist, die vorzugs­ weise derart gewählt ist, daß der Gelenkzapfen 20 ohne Los­ brechmoment verschwenkbar ist.

Die radial nachgiebige Ausbildung der Lagerschale 22 durch den Schlitz 24, der sich z. B. entlang einer Mantellinie oder, wie gezeigt, schräg zu dieser erstrecken kann, stellt dabei sicher, daß bei montierter, vorgespannter Lagerschale 22 der Kugelkopf 18 auch von deren außen konisch verjüngten Umfangsabschnitten 28 und 30 spaltfrei bzw. formschlüssig umschlossen ist.

Dadurch, daß die Lagerschale 22 geschlitzt ist, kann dabei auf spezielle Toleranzforderungen bei deren Herstellung verzichtet werden.

In der Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenkes verlagert sich der Gelenkzapfen 20 bei sich einstellendem Verschleiß der La­ gerschale 22 in Richtung des Pfeiles A, wobei der Kugelkopf 18 entsprechend tiefer in die sich nach innen konisch verjüngende Lagerschalenöffnung 25 eintaucht.

Dabei kann sich der Kugelkopf 18 mit seinem äquatorialen Durch­ messer 40, aufgrund der radial vorgespannten Lagerschale 22 ausschließlich koaxial zum zylindrischen Umfangsabschnitt 26 der Flanschbuchse 32 relativ zur Lagerfläche 42 der Lagerschale 22 verlagern, wobei die konische Abstützfläche 36 der Gehäuse­ ausnehmung 16 verhindert, daß zwischen dieser und dem Umfangs­ flächenabschnitt 30 der Lagerschale 22 ein Spalt vorhanden sein kann.

Wie Fig. 2 zeigt, führt der verschleißbedingte Abrieb der La­ gerschale 22 an der inneren Ringkante 58 ihrer Schalenöffnung 25, aufgrund ihrer Konizität, zu einer Vergrößerung des Kugel­ kopf-Reibradius r1 auf r2, wobei sich zwangsläufig der äquato­ riale Durchmesser 40 des Kugelkopfes 18 innerhalb der Lager­ schale 22 um den Betrag a nach unten verlagert. Der äquatoriale Reibradius R1 des Kugelkopfes 18 bleibt dabei jedoch konstant.

Wie aus der Darstellung der sich vergrößernden, unteren Kugel­ kopf-Reibradien r3 bis r7 und den hierzu jeweils verschleißpro­ portionalen Verlagerungen des äquatorialen Reibradius R1 in Achsrichtung der Flanschbuchse 32 ersichtlich ist, bleibt dabei der tragende Anteil der den Kugelkopf 18 unterhalb seiner Aqua­ torialebene abstützenden Innenumfangsfläche der Lagerschale 22 nahezu erhalten, obgleich sich dieser, in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Achse des Gelenkzapfens 20 betrachtet, mit zunehmendem Lagerschalenverschleiß bzw. größer werdendem Durchmesser der Lagerschalenöffnung 25 in der Höhe ständig ver­ kleinert. Demgemäß bleibt trotz fortschreitendem Abrieb der Lagerschale 22, aufgrund der sich zugleich vermindernden Flä­ chenpressung, das Reibmoment im wesentlichen erhalten.

Durch Veränderung der Konizität der Schalenöffnung 25 läßt sich jedoch ausgehend vom gleichen Öffnungsdurchmesser auch ein ge­ wünschter verschleißabhängiger Verlauf des Reibmoments (Kennli­ nienverlauf) zur Optimierung der Reibung auf rechnerischem Wege bestimmen.

Durch entsprechende Wahl der radialen Vorspannung der Lager­ schale 22 und des Durchmessers ihrer Öffnung 25 läßt sich somit über die Lebensdauer des Kugelgelenkes für eine auf zunehmende, maximale Abstützkraft die Größe eines Reibmoments definiert bestimmen, ohne hierzu das Kugelgelenk derart vorspannen zu müssen, das zum Verschwenken des Gelenkzapfens 20 ein Los­ brechmoment zu überwinden ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Konstruktionsvariante der Flansch­ buchse 32 ist deren mit 60 bezeichneter Ringkragen durch einen an diese angeformten Formkörper aus Kunststoff gebildet, an dem der konische Umfangsflächenabschnitt 28 der Lagerschale 22 ab­ gestützt und die Abdichtmanschette 56 anvulkanisiert ist.

Die Konstruktionsvariante gemäß Fig. 4 zeigt gleichfalls einen den Ringkragen bildenden, an die Flanschbuchse 32 angeformten Formkörper 62 aus Kunststoff, der mit den Kugelkopf 18 form­ schlüssig übergreifenden, elastisch nachgiebigen Rückhalteseg­ menten 64 ausgestattet ist, die eine axial verkürzte Ausbildung der Lagerschale 22 ermöglichen. Um hierbei die Sicherheit gegen Ausziehen des Gelenkzapfens 20 aus der Gehäuseausnehmung 16 zu erhöhen, ist die Flanschbuchse 32 innenumfangsseitig mit einem vom Formkörper 62 ummantelten Innenbund 66 ausgestattet, dessen Innendurchmesser kleiner ist als derjenige des Kugelkopfes 18.

Claims (10)

1. Kugelgelenk für Teile der Lenkung oder Radaufhängung von Kraftfahrzeugen, mit einer einen Kugelkopf eines Gelenkzapfens aufnehmenden, aus Kunststoff bestehenden und radial nachgie­ bigen Lagerschale, die mit ihrem Außenumfang in einer Ausneh­ mung eines Gelenkgehäuses gefaßt ist und dabei mit einem zy­ lindrischen Teil ihrer Umfangsflächen an einem zylindrischen Wandabschnitt anliegt und den Kugelkopf zapfenseitig über des­ sen sich innerhalb des zylindrischen Wandabschnittes befinden­ den äquatorialen Durchmesser hinaus umschließt und mit einem in die Gehäuseausnehmung eingesetzten, die Lagerschale mit Vor­ spannung in dieser sichernden Sicherungsglied, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (22) von einem quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz (24) durchsetzt und zwischen zylindrischem Wandabschnitt (26) in der Gehäuseausnehmung (16) und äquatori­ alem Durchmesser (40) des Kugelkopfes (18), bezogen auf die Achse des zylindrischen Wandabschnitts, radial vorgespannt ist.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (22) eine sich nach innen konisch verjün­ gende Lagerschalenöffnung (25) aufweist, in die der Kugelkopf (18) eingreift und daß bei maximal ausgelenktem Gelenkzapfen (20) die Wirkungslinie der Abstützkraft innerhalb der Lager­ schalenöffnung (25) verläuft.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungsglied durch eine in das Gelenkgehäuse (10) eingesetzte, durch Umbördeln eines Gehäusekragens (48) in die­ sem festgelegte Flanschbuchse (32) gebildet ist, in der die Lagerschale (22) mit ihrem zylindrischen Umfangsflächenteil (26) unter radialer Verspannung gehalten ist.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (22) mit einem sich an den zylindrischen Umfangsflächenteil (26) anschließenden, konischen Umfangsflä­ chenteil (30) aus der Flanschbuchse (32) herausragt und an ei­ ner komplementären Abstützfläche (36) der Gehäusewandung ab­ gestützt ist.

5. Kugelgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschbuchse (32) einen sich nach außen konisch ver­ jüngenden Innenumfangsflächenteil (44) aufweist, an dem die Lagerschale (22) mit einer komplementären Gegenfläche (28) ab­ gestützt ist.

6. Kugelgelenk, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschbuchse (32) einen über das Gelenkgehäuse (10) überstehenden Ringkragen (50) aufweist, an den sowohl eine den Gelenkzapfen (20) umschließende Abdichtmanschette (56) anvul­ kanisiert als auch der sich nach außen konisch verjüngende In­ nenumfangsflächenteil (44) angeformt sind.

7. Kugelgelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkragen (50) der Flanschbuchse (32) durch einen an diese angeformten, den sich nach außen konisch verjüngenden Innenumfangsflächenteil (28) aufweisenden Formkörper (60) aus Kunststoff gebildet ist.

8. Kugelgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der den Ringkragen (62) bildende Formkörper am Innenumfang radial elastisch nachgiebige, den Kugelkopf (18) formschlüssig übergreifende Rückhaltesegmente (64) aufweist.

9. Kugelgelenk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschbuchse (32) einen vom Formkörper ummantelten In­ nenbund (66) aufweist, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kugelkopfes (18).

10. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (22) in der Konstruktionslage des Gelenk­ zapfens (20) zu beiden Seiten des äquatorialen Kugelkopfdurch­ messers (40), über den Schalenumfang verteilt, taschenartige Vertiefungen (38) zur Aufnahme eines Schmiermittels aufweist.