Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kugelgelenk
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes nach Anspruch 1 sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Kugelgelenke werden in allen Bereichen des Maschinenbaus, insbesondere auch in der Kraftfahrzeugindustrie und hier insbesondere auf dem Fahrwerksektor, zahlreich eingesetzt. Derartige Gelenke bestehen allgemein aus einem Kugelzapfen mit einem Zapfenbereich und einer daran angeformten Gelenkkugel, wobei die Gelenkkugel in einer zweiteiligen Lagerschale aus elastischem Material und die Lagerschale wiederum in einem mit einem Gehäusedeckel verschlossenen Gehäuse aufgenommen sind.
Die Montage geht üblicherweise so vonstatten, daß das Kugelgelenkgehäuse nach dem Einführen des Kugelzapfens und der Lagerschalen durch den Gehäusedeckel dauerhaft verschlossen wird, indem der Deckel des Gehäuses mittels einer Verrollungseinrichtung durch Umlegen einer am Gehäuse angeordneten Gehäuserollkante dauerhaft festgelegt wird. Durch die Verrollung des Gehäusedeckels wird zwischen Lagerschale und Gelenkkugel eine Anpresskraft erzeugt, die eine Spielfreiheit zwischen diesen beiden gegeneinander beweglichen Bauteilen gewährleistet. Die während des Verrollungsvorganges erzeugte Anpresskraft bestimmt somit wesentlich das Maß der Leichtgängigkeit der Bewegung des Kugelzapfens gegenüber der Lagerschale.
Die Erfahrung zeigt, daß die auf die eingangs geschilderte Art hergestellten Kugelgelenke eine relativ große Streuung bezüglich der für eine Drehung oder Kippung des Kugelzapfens notwendigen Kräfte und Momente aufweisen. Um die Nachteile unterschiedliche Leichtgängigkeit der Kugelgelenke herabzusetzen, ist es bei vielen Kugelgelenken üblich, diese im Rahmen eines Tempervorganges künstlich zu altern. Hierbei werden die
Kugelgelenke über einen gewissen Zeitraum einer erhöhten Temperatur (ca. 60- 80° C) ausgesetzt, um auf diese Weise innerhalb des Kugelgelenkes einen Abbau von Spannungsspitzen herbeizuführen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es technische Problemstellung der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes bereitzustellen, durch das bei den durch dieses Verfahren hergestellten Kugelgelenken ein konstant einstellbares Gelenkreibmoment zwischen den zueinander beweglichen Teilen des Kugelgelenkes nach dem Zusammenbau gewährleistet werden kann und das sich darüber hinaus in bereits bestehende Produktionslinien problemlos integrieren läßt.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Kugelgelenk zu schaffen, welches nach der Montage einen gleichbleibend niedrigen Reibwert aufweist, wobei sich die Erfindung auf alle herkömmlichen Bauweisen von Kugelgelenken erstreckt.
Gelöst werden diese technischen Problemstellungen hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich des Kugelgelenkes mit den Merkmalen des Patentanspruches 3. Spezielle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Merkmalen des Unteranspruches 2 enthalten. Spezielle bauliche Gegebenheiten des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 4 bis 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines reibungsarmen Kugelgelenkes zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
Zunächst wird ein Kugelzapfen mit einem Zapfenbereich und einer daran angeformten Gelenkkugel in eine Lagerschale und diese wiederum durch eine Öffnung in ein
Gelenkgehäuse eingesetzt, wobei die Öffnung des Gehäuses nach Einführen der Bauteile durch einen Deckel abgedeckt wird.
Danach wird der Zapfenbereich des Kugelzapfens in die Aufnahmevorrichtung einer Drehmoment-Messeinrichtung zur Erfassung des Gelenkmomentes zwischen Lagerschalen und Gelenkkugel eingesetzt.
Anschließend wird der Deckel des Gehäuses mittels einer Verrollungseinrichtung durch Umlegen einer am Gehäuse angeordneten Gehäuserollkante dauerhaft festgelegt, wobei während des Verrollungsvorganges das Gelenkdrehmoment kontinuierlich durch die Drehmoment-Messeinrichtung gemessen und mit einem voreinstellbaren Sollwert verglichen wird und wobei der Gehäusedeckel die Lagerschale in axialer Richtung gegen die
Gelenkkugel verschiebt und eine Anpresskraft erzeugt, die durch ein Stützelement am Gehäusedeckel teilweise kompensiert wird. Die Anpresskraft steigt dabei stetig an, während der Vorschub der Verrollungseinrichtung mit zunehmendem Drehmoment abnimmt. Die Verrollungseinrichtung führt eine überwiegend axiale Zustellbewegung und während des Umformprozesses eine rotierende Bewegung aus. Bei Erreichen des
Gelenkmomentsollwertes wird der Verrollungsprozess unmittelbar beendet.
Durch das erfmdungsgemäße Verfahren hergestellte Kugelgelenke weisen gegenüber dem Stand der Technik einen engen Toleranzbereich bezüglich ihres Gelenkmomentes auf, wobei das Entlastungselement aufgrund seiner konstruktiven Gestaltung dazu beiträgt, die an der Drehmoment-Messeinrichtung voreingestellten Sollwerte durch definierte Verformung im Rahmen des Verrollungsvorganges zu erreichen.
Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, das Entlastungselement am Gehäusedeckel als umlaufenden Stützring zu gestalten, der sich an einer Kante des Gehäuses abstützt und zumindest einen Teil der im Rahmen des Verrollungsvorganges auf den Gehäusedeckel einwirkenden Kräfte direkt in das Gehäuse einleitet. Der Stützring verhindert somit eine ungewollte Verformung der Lagerschale und sorgt darüber hinaus für eine Verbesserung der Abdichtung des Kugelgelenkes. Konzentrisch zum Stützring ist ferner eine Anlagefläche vorgesehen, über die der Gehäusedeckel in Kontakt mit der
Oberseite der Lagerschale steht. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Stützring unmittelbar an der Gehäusekante anzuformen.
Als spezielle Ausgestaltungen der Drehmomentaufhahmevorrichtung sind beispielsweise am unteren freien Ende des Zapfenbereiches ein Innensechskant, eine Kegelaufhahme oder eine Gewindebohrung denkbar. Mit all diesen Ausgestaltungen ist eine zuverlässige Halterung in der Drehmoment-Messeinrichtung sowie eine ausreichende Drehmomentübertragung gewährleistet. Darüber hinaus ist die Fertigung eines Innensechskantes im Zapfenbereich des Kugelgelenkes auf kostengünstige Art und Weise möglich.
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk besteht aus einem Kugelzapfen, der in ansich bekannter Weise einen Zapfenbereich und eine daran angeformte Gelenkkugel aufweist. Die
Gelenkkugel ist in einer Lagerschale aus elastischem Material gelagert. Die Innenfläche der Lagerschale ist der Kontur der Gelenkkugel des Kugelzapfens angepaßt. Die Lagerschale kann außen eine zylindrische Mantelfläche aufweisen und besitzt an ihrer oberen dem Zapfenbereich abgewandten Seite eine Anlagefläche an den das Gehäuse verschließenden Gehäusedeckel. Dieser Gehäusedeckel weist erfindungsgemäß ein Entlastungselement zur teilweisen Übertragung der im Rahmen des Verrollungsvorganges des Gehäusedeckels auftretenden Anpresskräfte auf das Gehäuse auf. Dieses Entlastungselement kann ein umlaufender Stützring sein, es ist jedoch auch ein separater Blechring zwischen Gehäuse und Gehäusedeckel denkbar sowie ein aus elastischem Material, vorzugsweise Gummi, gefertigter umlaufender Ring.
Die auf den Gehäusedeckel während des Verrollungsvorganges wirkenden Kräfte bewirken eine kontrollierte Verformung des Stützringes, so daß die zwischen der Anlagefläche der Lagerschale und dem Gehäusedeckel übertragenen Kräfte begrenzt werden und somit das durch eine axiale Verschiebung der Lagerschale während des Verrollungsvorganges erzeugte Reibmoment zwischen Innenseite der Lagerschale und Gelenkkugel begrenzbar wird.
Die Lagerschale kann erfindungsgemäß in Axiallängsrichtung des Kugelzapfens oder bevorzugt quer zur Axiallängsrichtung geteilt sein, was die Verschiebung der Lagerschale erheblich erleichtert und vorherbestimmbarer macht.
Am unteren freien Ende des Gelenkzapfens befindet sich zur Befestigung des Zap- fenbereiches in einer Drehmomentmessvorrichtung eine Aufnahme, welche beispielsweise als Innensechskant, als Gewindebohrung oder Kegelsitz gestaltet sein kann.
Ein derartig gestaltetes Kugelgelenk ermöglicht es, unterschiedliche LagerwerkstofFe für die Lagerschale zu verwenden und vermeidet durch die Ausbildung eines bei unterschiedlichen Kugelgelenken gleichbleibenden Gelenkmomentes während des Herstellungsvorganges eine nachgeschaltete Wärmebehandlung, bei der ein künstliche Alterung des Kugelgelenkes durch den Abbau von Spannungsspitzen innerhalb der Lagerschale herbeigeführt wird. Es ist selbstverständlich, daß die axiale Vorspannung zwischen Lagerschale und Gelenkkugel ein axiales Spiel dieser beiden Elemente zuverlässig ausschließt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk in Schnittdarstellung,
Figur 2 : eine vergrößerte Schnittdarstellung des Details A aus Figur 1 und
Figur 3 : eine schematische Darstellung der Erfindung.
Das Kugelgelenk in der Figur 1 ist hierbei schematisch während des Herstellvorganges im Stadium der Verrollung des Gehäusedeckels mit dem Gehäuse gezeigt.
Das Kugelgelenk besteht aus einem Kugelzapfen 1, der in ansich bekannter Weise einen Zapfenbereich 1.1 und eine daran angeformte Gelenkkugel 1.2 aufweist. Der Kugelzapfen 1 ist mit seiner Gelenkkugel 1.2 in einer Lagerschale 2 aus einem elastischen Material gelagert, wobei die Lagerschale 2 aus einer unteren, dem Zapfenbereich 1.2 zugewandten Lagerschale 2.1 und einer oberen Lagerschale 2.2 besteht, wobei zwischen den beiden Lagerschalen ein wenn auch geringfügiger Abstand 2.3 in Richtung der
Kugelzapfenlangsachse 1 3 besteht Die Innenflache der unteren und oberen Lagerschale 2 1 bzw 2 2 ist der Kontur der Gelenkkugel 1 2 angepasst Die Lagerschale 2 weist an der Außenkontur eine zylindrische Mantelflache auf, mit der sie in einem Gehäuse 3 aufgenommen ist Das Gehäuse 3 besitzt an seiner oberen, dem Zapfenbereich 1 1 abgewandten Seite eine Öffnung 4, durch die die verschiedenen Bauteile des Kugelgelenkes in das Gehäuse 3 eingesetzt werden Nach dem Einsetzen wird die Öffnung 4 mit einem Gehausedeckel 5 verschlossen Dieser Gehausedeckel 5 besitzt, wie dies aus der vergrößerten Darstellung der Figur 2 deutlich wird, einen umlaufenden Stutzring 6, der in Kontakt mit einer umlaufenden Schulter 7 im Offnungsbereich des Gehäuses 3 steht Konzentrisch zum Stutzring 6 verlauft eine Anlageflache 8, mit der der Gehausedeckel 5 in Kontakt mit der Oberseite der oberen Lagerschale 2 2 steht
Um den Gehausedeckel 5 nach Einsetzen der Einzelteile des Kugelgelenkes im Gehäuse 3 festzusetzen, wird dieser durch Umlegen einer am Gehäuse 3 angeordneten Gehauserollkante 9 mittels einer Verrollungseinrichtung, die durch den Rollstempel 10 in der Figur 1 schematisch dargestellt ist, festgelegt Wahrend des Verrollungsvorganges stutzt sich das Gehäuse 3 des Kugelgelenkes auf einem Hubtisch 1 1 der Verrollungseinrichtung ab
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, besitzt der Kugelzapfen 1 an seinem unteren freien Ende des Zapfenbereiches 1 1 eine Drehmomentaufnahmevorrichtung 12, die in dieser speziellen Ausführung als Innensechskant gestaltet ist Für die Aufhahmevorrichtung 12 sind selbstverständlich auch andere Möglichkeiten der Realisierung, wie beispielsweise eine Kegelaufhahme oder eine Gewindebohrung, denkbar. Die
Drehmomentaufhahmevorrichtung 12 dient zur Lagerung des Kugelzapfens 1 in einer hier nicht naher dargestellten üblichen Drehmomentmessvorrichtung
Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens dient diese Drehmomentmessvorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Gelenkmomentes des Kugelzapfens 1 zwischen Gelenkkugel 1.2 und Lagerschale 2 wahrend des gesamten Verrollungsvorganges des Gehausedeckels 5 Die Drehmomentmessvorrichtung wird vor Beginn des Verrollungsvorganges auf einen Gelenkmoment- Sollwert eingestellt Wahrend des
Verrollungsvorganges wird zum einen der Stützring 6 des Gehäusedeckels 5 durch Pressung infolge des Rollvorganges gezielt verformt, um so einen Teil der aufgebrachten Verrollungskräfte aufzunehmen, gleichzeitig drückt der Gehäusedeckel 5 mit seiner Anlagefläche 8 auf die Oberseite der oberen Lagerschale 2.2 und verschiebt diese in Richtung der Kugelzapfenlangsachse. Durch diese axiale Verschiebung wird eine
Anpresskraft zwischen der oberen Lagerschale 2.2 und der Gelenkkugel 1.2 erzeugt, die maßgeblich für das im Kugelgelenk auftretende Gelenkmoment ist. Sobald das gemessene Gelenkmoment mit dem eingestellten Sollwert an der Drehmoment-Messeinrichtung übereinstimmt, wird durch eine Regelelektronik der Hubtisch 11 durch eine schnelle Bewegung in Richtung des Pfeiles P in Figur 1 verfahren, sodaß die Gegenkraft zum
Rollstempel 10 wegfällt. Durch diese Maßnahme wird der Anpressdruck zwischen dem Rollstempel 10 und der Gehäuserollkante 9 augenblicklich aufgehoben und ein weiteres Ansteigen des Gelenkmomentes zuverlässig ausgeschlossen.
In der Figur 3 ist das beschriebene Verfahren noch einmal schematisch dargestellt, um den geschlossenen Regelkreis zu veranschaulichen. Die „Rolleinheit" stellt darin das zuvor als Rollstempel 10 bezeichnete Bauteil dar. Als Beispiel für eine „Vorrichtung zum schnellen Abtauchen des Gelenkes beim Erreichen des Solldrehmomentes" wurde vorstehend der Hubtisch 11 genannt. Die „mechanische Aufnahme zum drehen des Zapfens" sowie die Drehmomentmeßdose und Zapfendrehvorrichtung" bilden gemeinsam die Drehmoment- Messeinrichtung, die permanent die vorgegebenen Sollwerte mit den Ist-Werten am Kugelgelenk vergleicht.
Auf diese Weise wird bei allen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kugelgelenken ein Gelenkmoment in Höhe eines voreingestellten Sollwertes erreicht, wobei sich das Verfahren durch eine geringe Fertigungstoleranz bezüglich der auftretenden Gelenkmomente auszeichnet. Ein Tempervorgang, im Rahmen dessen die hergestellten Kugelgelenke in einem weiteren Herstellungsschritt durch Abbau von Spannungsspitzen künstlich gealtert werden, erübrigt sich bei diesem Herstellungsverfahren, wodurch sich selbstverständlich die Herstellungskosten reduzieren.
Bezugszeichenliste:
1 Kugelzapfen
1.1 Zapfenbereich
1.2 Gelenkkugel
1.3 Kugelzapfenlangsachse
2 Lagerschale
2.1 untere Lagerschale
2.2 obere Lagerschale
2.3 Abstand
3. Gehäuse
4 Öffnung
5 Gehäusedeckel
6 Stützelement
7 Schulter
8 Anlagefläche
9 Gehäuserollkante
10 Rollstempel
11 Hubtisch
12 Drehmomentaufnahmevorrichtung