DaimlerChrysler AG
Lagerschale für ein Kugelgelenk
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerschale für ein Kugelgelenk, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Lagerschalen der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 100 28 984 AI eine Lagerschale für Kugelgelenke oder Kugelhülsengelenke mit einer inneren hohlkugelförmig ausgebildeten Lagerfläche und einer äußeren zylinderförmig ausgebildeten Aufnähmetl che, mit der die Lagerschale in ein Gelenkgehäuse einsetzbar ist. Die Lagerschale ist mehrteilig mit mindestens zwei Schalenteilen ausgebildet, welche durch eine Klemmvorrichtung miteinander lösbar koppelbar sind. Die Trennebene zwischen den Halbschalen verläuft in Richtung der Mittellängsachse der Lagerschalen. Derartige Lagerschalen sind üblicherweise aus Kunststoff mittels der Spritzgusstechnik hergestellt. Da die Lagerschale mehrteilig ausgebildet ist, muss selbige keinen großen Verformungen bei einer Zwangsentformung der Lagerschale von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil nach Abschluss des Spritzgießvorgangs ausgesetzt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine alternative Lagerschale für ein Kugelgelenk vorzuschlagen, welche mittels der Spritzgusstechnik hergestellt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Lagerschale mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Lagerschale zeichnet sich dadurch aus, dass sie als einteiliges, geschlitztes Federringelement ausgebildet ist und an ihrer Innenseite mindestens eine Fetttasche aufweist, die zur Kerbwirkungsbegrenzung einen bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich gegenüber einem Schlitz abdeckt. Aufgrund der insbesondere durch den Schlitz hervorgerufenen federelastischen Eigenschaften des einteiligen Federringelements ist es möglich, die Lagerschale spritzzugießen und nach Abschluss des Spritzgießvorgangs die einteilige Lagerschale verformungsunkritisch mittels einer Zwangsentformung von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil eines Spritzgießwerkzeugs zu trennen. Da die Innenseite der Lagerschale mindestens eine Fetttasche aufweist, ist bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung im Rahmen einer Zwangsentformung eine erwünschte und gezielte Hauptspannungsbegrenzung und Kerbwirkungsreduzierung erziel- bar, so dass die Lagerschale beim Trennen von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil nicht beschädigt oder gar zerstört wird. Somit ist es möglich, die Lagerschale aus einem betriebsbeanspruchungsgünstigen Werkstoff, insbesondere Kunststoff, herzustellen. Ferner kann die Lagerschale zur Auslegung auf relativ hohe Betriebsbelastungen mit einem verhältnismäßig großen Umschlingungswinkel versehen werden, da aufgrund der erhöhten elastischen Verformbarkeit der einteiligen Lagerschale auch bei großen Umschlingungswinkeln eine korrekte Zwangsentformung aus einem Spritzgießwerkzeug möglich ist. Der Schlitz und die in einem beanspruchungskritischen Ringbereich angeordnete Fetttasche gewährleisten hierbei eine hinreichend große elastische Lagerschalenaufweitung, d. h. eine UmfangsVergrößerung des einteiligen Federringelements. Im Vergleich zur einteiligen Lagerschale ist eine zweiteilige Lagerschale gemäß dem Stand der Technik durch re-
lativ große Bauteiltoleranzschwankungen und durch eine verhältnismäßig geringe Belastbarkeit in radialer Richtung gekennzeichnet .
Mit Vorteil ist der Schlitz in Schalenlängsrichtung durchgehend unter Ausbildung eines umfangsförmig offenen Federelements. Ein derartig geschlitztes Federelement zeichnet sich durch eine besonders große elastische Lagerschalenaufweitbar- keit und somit durch eine unkritische Zwangsentformung nach dem Spritzgießvorgang auch bei Einsatz eines verhältnismäßig spröden Werkstoffs, wie beispielsweise Kunststoff, aus.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Lagerschale ringförmig an ihrer Außenseite einen Längsbereich und einen stirnseitigen Verjüngungsbereich, wobei sie an ihrer Innenseite die Kontur eines Kugelflächensegments aufweist und die Fetttasche zur Gewährleistung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Wandstärke in einem Übergangsbereich vom Längs- bereich zum Verjüngungsbereich liegt. Da in dem Übergangsbereich einer derartigen Lagerschale ohne Fetttasche eine kerb- wirkungskritische Materialanhäufung bzw. Wandstärkenzunahme vorliegt, ist die Anordnung mindestens einer Fetttasche in diesem Übergangsbereich und in dem rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich gegenüber dem Schlitz besonders effektiv zur gezielten Begrenzung der Hauptspannung -durch Reduzierung des Abstands der Lagerschalenoberfläche zur neutralen Faser- bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung im Rahmen einer Zwangsentformung der Lagerschale aus einem Spritzgießwerkzeug. Somit wird aufgrund der erhöhten elastischen Federeigenschaften der Lagerschale in radialer Richtung eine fertigungstechnisch bedingte Beschädigung oder Beeinträchtigung der spritzgegossenen, einteiligen Lagerschale bei einer Zwangsentformung verhindert.
Der Längsbereich und der Verjüngungsbereich können jeweils eine lineare Längserstreckung aufweisen und der Übergangsbereich an der Außenseite mindestens eine im Querschnitt eck- förmige Übergangskante enthalten. Da die Lagerschale zur Aufnahme in einem geeignet ausgebildeten Gelenkgehäuse vorgesehen ist, ist zur Einhaltung der vorgebbaren Toleranzen dieser Baugruppe eine lineare Längsgestaltung der äußeren Teilbereiche der Lagerschale fertigungstechnisch günstiger als eine gekrümmte Längserstreckung einer oder mehrerer Außenbereiche derselben.
Der Verjüngungsbereich kann durch eine in Draufsicht kreisförmige oder elliptische Öffnungskante begrenzt sein. Die Längsachse der Ellipse erstreckt sich vorzugsweise von einem Schlitzbereich zum rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich der Lagerschale. Eine elliptische Öffnungskante ermöglicht im Vergleich zu einer kreisförmigen Öffnungskante eine größere elastische Lagerschalenaufweitung bei der Zwangsent- formung der spritzgegossenen einteiligen Lagerschale von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil des Spritzgießwerkzeugs .
Die Fetttasche kann einen im Querschnitt eckförmigen oder kurvenförmigen Rand aufweisen. Die Randausgestaltung der Fetttasche hat ebenfalls einen Einfluss auf die Kerbwirkungsbegrenzung und den Fetttransport bei der Gelenkbewegung bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung im rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich. Zur Kerbwirkungsbegrenzung ist vorzugsweise ein im Querschnitt kurvenförmiger, d. h. beispielsweise im Querschnitt radiusförmiger, Rand vorgesehen, durch welchen auch der Fetttransport zwischen einer zugehörigen Gelenkkugel und der Lagerschale begünstigt wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Fetttasche als mindestens eine sich umfangsfδrmig erstreckende Ringnut ausgebildet. Die Ringnut erstreckt sich somit in einer Äquatorialebene der Lagerschale. Dabei deckt die Fetttasche wenigstens teilweise einen Umfangsbereich der Lagerschale ab.
Die Ringnut kann eine konstante Nutbreite und/oder Nuttiefe aufweisen. Gegebenenfalls können auch in Bezug auf die elastische Lagerschalenaufweitung wenigstens im rissbildungskri- tisch beanspruchten Ringbereich angepasste Ringnutquerschnitte gewählt werden, um eine möglichst hohe Kerbwirkungsbegrenzung bzw. -reduzierung in der Lagerschale zu erzielen.
Die Ringnut erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Umfang der Lagerschale. Hierdurch ist es möglich, im Übergangsbereich zwischen dem Längsbereich und dem Verjüngungsbereich eine verformungsgünstige Wandstärkengestaltung längs des gesamten, durch den Schlitz begrenzten Umfangs der Lagerschale zu realisieren, indem bei vorgegebener Lagerschalenaußenkon- tur eine geeignete geometrische Ausgestaltung der Ringnut an der Innenseite der Lagerschale gewählt wird.
Zur Begünstigung einer beanspruchungsreduzierten, elastischen Aufweitbarkeit der Lagerschale weist der Verjüngungsbereich im Ringbereich gegenüber dem Schlitz eine randoffene Ausnehmung auf. Dabei kann die Ausnehmung in der Draufsicht beispielsweise als Schlüsselloch, Schlitz oder Halbmond ausgebildet sein. Da sich die Ausnehmung im bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung risskritisch beanspruchten Ringbereich befindet, wird eine Beschädigung bzw. Beeinträchtigung der Lagerschale in diesem Bereich während ihrer Zwangsentformung von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil eines Spritzgießwerkzeugs vermieden.
Der Längsbereich kann an der Außenseite zylindrisch und der Verjüngungsbereich kegelstumpfförmig ausgebildet sein. Diese bevorzugte Außengeometrie der einteiligen Lagerschale ist deshalb möglich, weil im Übergangsbereich an ihrer Innenseite mindestens eine Fetttasche vorgesehen ist zur Vermeidung einer verformungsungünstigen Materialanhäufung.
Entsprechend einer möglichen Ausführungsform kann der Verjüngungsbereich an der Außenseite eine Mehrzahl an sich zueinander unter einem Winkel erstreckenden Ringflächensegmenten enthalten. Bei einer derartigen Lagerschale handelt es sich um eine zweifasige Variante, im Gegensatz zu einer einfasigen Variante, gemäß welcher der vollständige Verjüngungsbereich an der Außenseite eine in Längsrichtung kontinuierlich lineare Kontur aufweist. Bei einer zweifasigen Lagerschale können ggf. an deren Innenseite in den Eckbereichen zueinander parallel in entsprechend beabstandeten Äquatorialebenen sich erstreckende Fetttaschen (evtl. vollständig umlaufend) vorgesehen sein. Die Verjüngungsbereiche an der Außenseite der Lagerschale dienen zur Realisierung eines möglichst großen Um- schlingungswinkels, mittels welchem im Betriebszustand eine relativ niedrige Kugelreibung unter Last erhalten werden kann.
Die Lagerschale ist vorzugsweise aus einem hochwarmfesten Kunststoff hergestellt. Dabei kann der Werkstoff beispielweise ein sogenanntes „Peek-Material" oder ein ähnlicher Kunststoff sein, wobei eine derartige einteilige Lagerschale ohne einen Schlitz und ohne eine im rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich liegende Fetttasche nicht einer unkritischen Zwangsentformung bei ihrer Herstellung unterzogen werden könnte .
Die Lagerschale ist vorzugsweise ein Spritzgussteil mit einer AufWeitungselastizität , die ein korrektes Entformen des Spritzgussteils aus einem Spritzgießwerkzeug erlaubt. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Aufweitungselastizität der Lagerschale ist es möglich, selbige einteilig, aus einem relativ spröden Werkstoff und insbesondere aus Kunststoff sowie mit einem verhältnismäßig großen Umschlingungswinkel -unter Hervorrufung einer verhältnismäßig geringen Reibung im entsprechenden Kugelgelenk- herzustellen und gleichzeitig eine unkritische Zwangsentformung der spritzgegossenen Lagerschale von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil eines Spritzgießwerkzeugs zu gewährleisten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung . "
Die Erfindung wird anhand mehrerer bevorzugter Ausführungs- beispiele, unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Lagerschale entsprechend einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Lagerschale der Figur 1 ;
Fig. 3 eine schematische Längsschnittdarstellung durch die erfindungsgemäße, in einem Kugelgelenk montierte Lagerschale entsprechend der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lagerschale entsprechend einer zweiten, alternativen Ausführungsform und
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lagerschale entsprechend einer dritten, alternativen Ausführungsform.
Figur 1 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Lagerschale 10, die zum Einsatz in einem Kugelgelenk vorgesehen ist. In Figur 2 ist die Lagerschale 10 in Draufsicht dargestellt. Die Lagerschale 10 ist als einteiliges, geschlitztes Federringelement ausgebildet und weist einen in Schalenlängsrichtung durchgehenden Schlitz 20 auf. An ihrer Innenseite 12 enthält die Lagerschale 10 die Kontur eines Kugelflächensegments 28, während sie an ihrer Außenseite 14 einen ringförmigen Längsbereich 22 und einen stirnseitigen Verjüngungsbereich 24 aufweist. Innerhalb des Kugelflächensegments 28 ist eine Fetttasche 16 vorgesehen zur Gewährleistung einer hinreichenden Fettversorgung des entsprechenden Kugelgelenks und ferner einer im Wesentlichen gleichmäßigen Wandstärke in einem Übergangsbereich 32 vom Längsbereich 22 zum Verjüngungsbereich 24. Die Fetttasche 16 ist als eine sich umfangsförmig in einer Äquatorialebene der Lagerschale 10 erstreckende Ringnut 40 ausgebildet, deren Nutbreite und Nuttiefe konstant ist. Zur gezielten HauptSpannungsbegrenzung bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung deckt die Fett- tasche 16 einen rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich 18 gegenüber dem Schlitz 20 ab. Die Fetttasσhe 16 ist im Kugelflächensegment 28 durch einen jeweiligen, im Querschnitt kurvenförmigen bzw. einen radiusbildenden Rand 38 begrenzt, so dass auch dieser Rand 38 im Vergleich zu einem im Querschnitt eckförmigen Rand eine reduzierte Kerbwirkung bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung ausübt und ferner bei einer Bewegung einer zugehörigen Gelenkkugel (nicht in Figur 1 dargestellt) einen erwünschten Fetttransport gemäß den Linien 51 begünstigt.
Eine Lagerschalenaufweitung ist fertigungstechnisch notwendig, da die Lagerschale 10 ein Spritzgussteil aus Kunststoff, beispielsweise aus dem Werkstoff „Peek", ist und zur Zwangsentformung der spritzgegossenen Lagerschale 10 von einem innenliegenden kugelförmigen Formteil eines entsprechenden Spritzgießwerkzeugs eine elastische Lagerschalenaufweitung unumgänglich ist. Da aufgrund der erhöhten Anforderungen an die Lagerschalen ein hochwarmfester Kunststoff als Lagerschalenwerkstoff eingesetzt wird, der verhältnismäßig spröde ist, kann eine korrekte elastische Lagerschalenaufweitung ohne eine Beschädigung bzw. Beeinträchtigung der Lagerschale 10 im rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich 18 lediglich dann gewährleistet werden, wenn die einteilige Lagerschale 10 als geschlitztes Federringelement ausgebildet ist und an ihrer Innenseite 12 mindestens eine Fetttasche 16 aufweist, die den rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich 18 gegenüber dem Schlitz 20 abdeckt. Die Größe des Ringbereichs 18, d. h. die Erstreckung in Längsrichtung und in Umf ngsrichtung der Lagerschale 10, hängt von der erforderlichen Lagerschalenaufweitung und vom eingesetzten Lagerschalenmaterial ab. Der Längsbereich 22 und der Verjüngungsbereich 24 an der Außenseite 14 der Lagerschale 10 weisen eine jeweils lineare Längserstreckung auf, wobei der Übergangsbereich 32 eine im Querschnitt eckförmige Übergangskante 34 enthält. Dabei ist der Verjüngungsbereich 24 durch eine in Draufsicht kreisförmige Öffnungskante 36 begrenzt, die gleichzeitig an der Innenseite 12 eine stirnseitige Begrenzung des Kugelflächenseg- ments 28 bildet. Am in Längsrichtung gegenüberliegenden Ende der Lagerschale 10 ist ein Abschlussrand 50 vorgesehen, der als Fase ausgebildet ist und sich unter Ausbildung eines Winkels an der Außenseite 14 direkt an den Längsbereich 22 anschließt. An der Innenseite 12 ist der Abschlussrand 50 mit einer komplementären KugelSegmentteilfläche versehen. Die
Ringnut 40 erstreckt sich über den gesamten Umfang der Lagerschale und wird durch den Rand des Schlitzes 20 begrenzt.
Figur 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes und axial sowie extrem radial belastbares Kugelgelenk, bestehend aus einem Gelenkzapfen 11, einem Gelenkgehäuse 44 und der dazwischen angeordneten Lagerschale 10. Die geometrische Ausgestaltung der Lagerschale 10 der Figur 3 entspricht derjenigen der Figuren 1 und 2. Es wird in der Schnittdarstellung deutlich, dass aufgrund der ringnutartig ausgebildeten Fetttasche 16 im Übergangsbereich 32, d. h. zwischen dem Längsbereich 22 und dem Verjüngungsbereich 24, die Lagerschale 10 durch eine im Wesentlichen auch in Längserstreckung gleichmäßige Wandstärke 30 gekennzeichnet ist. Dies führt zu einer erwünschten Hauptspannungs- und Kerbwirkungsbegrenzung bzw. -reduzierung in dem rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich 18 (siehe, auch Figuren 1 und 2) bei einer elastischen Lagerschalenaufweitung im Rahmen einer Zwangsentformung nach Fertigstellung der spritzgegossenen Lagerschale 10. Bei der Lagerschale 10 gemäß den Figuren 1 bis 3 handelt es sich um eine einfasige Lagerschale, da an der Außenseite 14 der Lagerschale 10 lediglich ein einziger stirnseitiger, im Querschnitt linear sich erstreckender Verjüngungsbereich 24 (Fase) vorgesehen ist. Mittels einer entsprechenden Tolerierung des Gelenkgehäuses 44 kann eine Anlage des Gelenkzapfens 11 bzw. des Kugelabschnitts desselben am geringsten Reibradius (Öffnungskante 36 der Lagerschale 10) gewährleistet werden. Da der mit 52 gekennzeichnete Winkel an der Außenseite 14 der Lagerschale 10 zwischen dem Längsbereich 22 und dem Verjüngungsbereich 24 im Vergleich zu einer zweifasigen Lagerschale, d. h. mit einem Verjüngungsbereich bestehend aus zwei unter einem Winkel zueinanderliegenden, an der Außenseite kegelstumpfförmigen Ringflächensegmenten, ver-
hältnismäßig groß bzw. stumpf ist, ergeben sich kleinere Toleranzen bei einer axialen Vorspannung des Kugelgelenks.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagerschale 10. Die Lagerschale 10 weist eine in Draufsicht elliptische Öffnungskante 36 auf, wobei sich die Längsachse der Ellipse aus dem rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich 18 in Richtung Schlitz 20 erstreckt. Aufgrund der Ellipsenform der Öffnungskante 36 ist der Reibradius im Vergleich zur Ausführungsform der Figuren 1 bis 3 (in Draufsicht kreisförmige Öffnungskante 36) größer, jedoch wird eine hinreichend elastische Lagerschalenaufweitung im Rahmen einer Zwangsentformung der Lagerschale 10 aufgrund der Ellipsenform gewährleistet. Grundsätzlich wird allerdings ein möglichst kleiner Reibradius bevorzugt, wobei dieser mittels Realisierung eines möglichst großen Umschlingungswinkels (siehe in Figur 3 Umschlingungswinkel 53) in axialer Richtung erhalten werden kann. Bei Einsatz der Lagerschale 10 in einer Mehrlenkerachse führt dies aufgrund der sich bei großen Um- schlingungswinkeln einstellenden, vergleichsweise geringen Reibung zu einer Komfortsteigerung.
Figur 5 zeigt eine entsprechende Draufsicht auf eine weitere, alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagerschale 10. Die Lagerschale 10 ist durch eine in Draufsicht kreisförmige Öffnungskante 36 und durch eine im rissbildungskritisch beanspruchten Ringbereich 18 liegende, randoffene Ausnehmung 42 gekennzeichnet. Dabei erstreckt sich die Ausnehmung 42 ausschließlich im Verjüngungsbereich 24. Die Ausnehmung 42 ist in Draufsicht schlüssellochför ig gestaltet und begünstigt ebenfalls eine korrekte elastische Lagerschalenaufweitung bei einer fertigungstechnisch erforderlichen Zwangsentformung der spritzgegossenen Lagerschale 10. Gegebenenfalls können die einzelnen, die Ausführungsformen vonein-
ander unterscheidenden Merkmale auch miteinander kombiniert werden.