DE10163147A1

DE10163147A1 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE10163147A1
Application number: DE2001163147
Authority: DE
Inventors: Matthias Gercke; Christian Maasmann; Jean-Paul Castanet
Original assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Current assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeuges mit einem wenigstens einseitig offenen Gehäuse (1), in dessen Innenraum (2) eine Lagerschale (3) eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel (4) eines Kugelzapfens (5) gleitbeweglich aufnimmt. Bei einem derartigen Kugelgelenk weist der Innenraum (2) entlang seiner Innenmantelfläche (6) Erhebungen und/oder Vertiefungen (7) oder einen polygonalen Querschnitt auf, sodass die mit einem Übermaß zur Innenmantelfläche (6) versehene Lagerschale (3) unter teilweiser plastischer Verformung ihrer Außenoberfläche formschlüssig in das Gehäuse (1) einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.
Ein derartiges Kugelgelenk ist beispielsweise aus der DE 43 06 006 A1 bekannt. Es weist ein hohlzylinderförmiges Gehäuse auf, in dessen Innenraum eine Lagerschale zur gleitbeweglichen Aufnahme der Gelenkkugel eines Kugelzapfens eingesetzt ist. Die Lagerschale der bekannten, im Aufbau sehr einfach ausgeführten Kugelgelenke besteht aus Kunststoff, der optimale Reibungsverhältnisse für die zu lagernde Gelenkkugel gewährleistet. Die in der genannten Schrift offenbarte Lagerschale verfügt über einen Ringbund, der sich einseitig an der Stirnseite des Gehäuses abstützt. Auf der dem Ringbund gegenüberliegenden Seite ist an der Lagerschale ein Ringkragen angeformt, der im Vormontagezustand bezogen auf die Längsmittenachse der Lagerschale eine axiale Erstreckung und Außenabmessungen aufweist, die den Außenabmessungen der Lagerschale entsprechen. Während des Zusammenbaus des bekannten Kugelgelenkes wird die Lagerschale in das Gehäuse eingesetzt, sodass sich der Ringbund an der Stirnfläche des Gehäuses abstützt und der Ringkragen auf der gegenüberliegenden Gehäuseseite mittels eines Umformverfahrens verformt werden kann. Für das Umformen des Ringkragens wird in der zitierten Schrift ein Ultraschallumformverfahren vorgeschlagen. Nach Abschluss der Ultraschallumformung bildet der Ringkragen eine Wulst am Gehäuse, wodurch die Lagerschale an dem Gehäuse festgesetzt ist.
Ein sehr wesentliches Problem bei den bekannten Kugelgelenkausführungen besteht darin, dass die mittels Ultraschallumformung am Gehäuse festgelegte Lagerschale keine dauerhaft feste Verbindung mit dem Gehäuse eingeht und somit über die Lebensdauer des Kugelgelenkes hinweg eine Lockerung der Lagerschale nicht auszuschließen ist. Die durch die Relativbewegungen zwischen Gehäuse und Lagerschale entstehende Reibung führt zu einem Anstieg des Verschleißes, so dass das Kugelgelenk schließlich ausfallen kann. Durch den zunehmenden Verschleiß der Lagerschale wirken zudem eindringende Verunreinigungen infolge des Abriebes wie Beschleunigungsfaktoren für den Ausfall des Gelenkes.
Um zu verhindern, dass sich die Lagerschale lockert und beispielsweise Rotationsbewegungen um die Längsmittenachse des Gehäuses vollführt, werden bislang nach der Herstellung des Gehäuserohlings Kerben in dessen Randbereich eingebracht, in die später der mittels Ultraschallumformung erweichte Werkstoff der Lagerschale zumindest abschnittsweise einfließen kann. Die durch ein Prägeverfahren in dem Gehäuse erzeugten Kerben führen jedoch zu Verformungen des Gehäuses, so dass dieses nicht akzeptable Toleranzen, Unrundheiten, Konizitäten und/oder Fehler in der Planparallelität aufweist.
Es konnte ferner festgestellt werden, dass bei der Ultraschallumformung der Materialfluss des erweichten Lagerschalenmaterials in die Kerben des Gehäuses zum Teil nur begrenzt erfolgt. Somit ist auch bei diesen verbesserten Ausführungen ein Lösen zwischen Lagerschale und Gehäuse und eine damit gegebene Beweglichkeit der Lagerschale relativ zum Gehäuse nicht mit Sicherheit auszuschließen.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zu Grunde, ein Kugelgelenk zu entwickeln, das neben einem einfachen Aufbau eine zuverlässige Sicherung der Lagerschale gegen Bewegungen innerhalb des Gehäuses ermöglicht.
Gelöst wird diese technische Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der sich anschließenden Unteransprüche.
Die Kugelgelenke weisen übereinstimmend ein wenigstens einseitig offenes Gehäuse auf, in dessen Innenraum eine Lagerschale eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnimmt.
Entsprechend einem ersten Vorschlag der vorliegenden Erfindung werden in dem Innenraum, entlang seiner Innenmantelfläche Erhebungen und/oder Vertiefungen vorgesehen. Die Lagerschale weist ferner im Verhältnis zur Innenmantelfläche des Gehäuses ein Übermaß auf, sodass quasi eine Presspassung gegeben ist. Dadurch erfolgt eine zumindest teilweise plastische Verformung der Außenoberfläche der Lagerschale. Diese ist somit formschlüssig in das Gehäuse einsetzbar.
Eine weitere Lösung der eingangs gestellten Aufgabenstellung besteht nach dem unabhängigen Anspruch 2 darin, dass der Innenraum des Gehäuses einen polygonalen Querschnitt aufweist, so dass die mit einem Übermaß zur Innenmantelfläche ausgestattete Lagerschale unter teilweise plastischer Verformung ihrer Außenoberfläche formschlüssig in das Gehäuse einsetzbar ist.
Die Montage des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes erfolgt derart, dass zunächst der mit einer Gelenkkugel ausgestattete Kugelzapfen in die hierfür vorgesehene Ausnehmung der Lagerschale eingesetzt wird. Diese Baugruppe, bestehend aus Lagerschale und Kugelzapfen, wird nachfolgend von einer Seite des Gehäuses her in den Innenraum des Gehäuses eingeführt. Durch die plastische Verformung der Außenoberfläche der Lagerschale wird bereits während des Zusammenbaus des Kugelgelenkes eine Verdrehsicherung, d. h. die Vermeidung einer Rotationsbewegung der Lagerschale um die Längsmittenachse des Gehäuses, wirksam verhindert. Die Längsmittenachsen von Gehäuse und Lagerschale bilden bei einem montierten Kugelgelenk eine gemeinsame Achse, sie sind demnach koaxial.
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk ist damit nicht nur einfach herzustellen. Es weist ferner einen einfachen Aufbau auf, ist damit kostengünstig und gewährleistet zudem eine sichere Fixierung der Lagerschale innerhalb des Gehäuses.
Zur Vereinfachung der Fertigung und zur Reduzierung der Fertigungstiefe ist es im Sinne der Erfindung vorteilhaft, die Erhebungen und/oder Vertiefungen über die gesamte Höhe des Gehäuses vorzusehen.
Diesem Gedanken folgend, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen durch ein Umformverfahren in den Innenraum des Gehäuses eingebracht werden. Als Umformverfahren kann beispielsweise ein Tiefziehverfahren zum Einsatz kommen. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, die Innenmantelfläche durch ein Räumverfahren mit den Erhebungen und/oder Vertiefungen auszustatten.
Das Gehäuse sollte eine möglichst einfache Geometrie aufweisen, wozu es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als Hohlzylinder gestaltet ist. Ferner kann es durch ein Kaltfließpressverfahren oder mittels einer spanenden Bearbeitung hergestellt werden.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Lagerschale einseitig mit einer Austrittsöffnung auszustatten, durch die ein mit der Gelenkkugel verbundener Anschlusszapfen des Kugelzapfens herausragt und die Lagerschale auf der der Austrittsöffnung gegenüberliegenden Seite geschlossen auszuführen. Die geschlossene Seite der Lagerschale gewährleistet somit einerseits eine Abdichtung des Kugelgelenkes, zum anderen wird hiermit eine Lagerfläche bereitgestellt und weiterhin ein zusätzlicher Verschlussdeckel eingespart. Die zapfenseitige Abdichtung des Kugelgelenkes kann in an sich bekannter Weise durch einen Dichtungsbalg erfolgen.
Neben der zuvor beschriebenen Sicherung der Lagerschale gegen eine Rotationsbewegung innerhalb des Gehäuses ist es ferner erforderlich, die Lagerschale auch in axialer Richtung zu fixieren. Hierzu wird vorgeschlagen, die Lagerschale einseitig mit einem Ringbund auszustatten, der sich nach dem Einbau der Lagerschale an einer Stirnfläche des Gehäuses abstützt. Die diesem Ringbund in axialer Richtung gegenüberliegende Seite der Lagerschale weist vorzugsweise einen sich vor der Montage axial erstreckenden, zur Herstellung einer festsitzenden Verbindung zwischen Lagerschale und Gehäuse beim Zusammenbau des Kugelgelenkes umgeformten Ringkragen auf. Dieser Ringkragen kann nach dem Einsetzen der Lagerschale in das Gehäuse mittels eines Schweißverfahrens oder eines Rollverfahrens umgeformt werden. Als Schweißverfahren sind beispielsweise Ultraschallumformung oder Reibschweißverfahren einsetzbar. Die Rollverfahren erzeugen eine Reibungswärme im Bereich des Ringkragens der Lagerschale und ermöglichen somit die genannte Umformung dieses lokalen Bereiches.
Um eine zusätzliche Sicherung der Lagerschale in dem Gehäuse zu erreichen und erforderlichenfalls die Abdichtung in diesem Kontaktbereich zu verbessern, kann es darüber hinaus angebracht sein, zusätzlich ein Bindemittel einzubringen, wobei bevorzugt ein Klebstoff als Bindemittel verwendbar ist.
Anhand der Figurendarstellungen soll nachfolgend die erfindungsgemäße Lösung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ausschnittsweise und im Schnitt ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk im Vormontagezustand,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes montiertes Kugelgelenk im Schnitt,
Fig. 3 ein Gehäuse als Einzelteil in räumlicher Darstellung und
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines weiteren Gehäuses für ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk.
Das in den Figuren gezeigte Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug besteht aus einem Gehäuse 1, das vorliegend als ein ringförmiges Gehäuse ausgestaltet ist. Das Gehäuse 1 weist einen Innenraum 2 auf, der bei den Ausführungen der Fig. 1 bis 3 einen kreisförmigen Querschnitt und bei der Darstellung in Fig. 4 einen polygonalen Querschnitt aufweist.
In den Innenraum 2 des Gehäuses 1 ist eine Lagerschale 3 eingesetzt. Die Lagerschale 3 besteht aus Kunststoff und dient der gleitbeweglichen Aufnahme und Lagerung der Gelenkkugel 4 eines insgesamt mit 5 bezeichneten Kugelzapfens. An die Gelenkkugel 4 schließt sich ein Anschlusszapfen 9 des Kugelzapfens 5 an, der, wie dies insbesondere aus der Fig. 2 ersichtlich wird, mit einem Anschlussgewinde 15 zum Anschluss an ein Kraftfahrzeugbauteil versehen ist.
Darüber hinaus geht aus der Fig. 2 hervor, dass an dem Gehäuse 1 ein Schaft 14 befestigt ist. Dieser Schaft 14 wurde bei dem Beispiel einstückig mit dem Gehäuse 1 ausgeführt.
Der Innenraum 2 des Gehäuses 1 weist eine Innenmantelfläche 6 auf, die über ihren Umfang verteilt mit Erhebungen und/oder Vertiefungen 7 versehen ist. Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kugelgelenkes erfolgt dergestalt, dass, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht, zunächst die Gelenkkugel 4 des Kugelzapfens 5 in die Lagerschale 3 eingesetzt wird. Von einer Seite des Gehäuses 1 her wird nun die Lagerschale 3 in den Innenraum 2 des Gehäuses eingeführt. Da die Lagerschale erfindungsgemäß ein Übermaß zu dem Innenraum 2 aufweist, kann die Verbindung zwischen Lagerschale 3 und Gehäuse 1 nur über eine Presspassung erreicht werden, so dass die Außenmantelfläche der Lagerschale 3 zumindest bereichsweise plastisch verformt wird, während diese in das Gehäuse 1 eingesetzt wird.
Die Lagerschale 3 weist einen Ringbund 10 auf, der sich einseitig gegen eine Stirnfläche des Gehäuses 1 abstützt. Auf der dem Ringbund 10 gegenüberliegenden Seite ist die Lagerschale 3 mit einem Ringkragen 11 ausgestattet, der im noch nicht fertig montierten Zustand in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser Ringkragen 11 wird zur Fertigstellung der Verbindung zwischen Lagerschale 3 und Gehäuse 1 mittels einer Ultraschallsonotrode umgeformt und bildet dann eine Materialwulst 12, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist. Somit wird eine axiale Fixierung der Lagerschale 3 innerhalb des Gehäuses 1 durch den Ringbund 10 und den zu einer Materialwulst 12 umgeformten Ringkragen 11 erreicht. Die Sicherung der Lagerschale 3 gegen eine Rotationsbewegung um die Längsmittenachse 16 erfolgt durch die Erhebungen und/oder Vertiefungen 7 an der Innenmantelfläche 6 des Gehäuses 1.
Die Lagerschale 3 ist, wie dies aus der Fig. 2 anschaulich hervorgeht, einseitig geschlossen ausgeführt. Somit kann ein zusätzliches Deckelelement zum Verschließen des Kugelgelenkes eingespart werden. Ferner bildet die Verschlussseite der Lagerschale 3 eine zusätzliche Lagerfläche für die Gelenkkugel 4 des Kugelzapfens 5. Bei der Ausführung in Fig. 2 ist die Gelenkkugel 4 als separates Bauteil hergestellt worden und mit dem Anschlusszapfen 9 verbunden. Beide Bauteile bilden gemeinsam den Kugelzapfen 5, der endseitig über das Anschlussgewinde 15 verfügt. Der Anschlusszapfen 9 ragt durch eine Austrittsöffnung 8 der Lagerschale 3 aus dieser heraus. Im Bereich des Ringbundes 10 der Lagerschale 3 weist diese außenseitig eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsbalges 13 auf. Das andere Ende des Dichtungsbalges 13 liegt dichtend an dem Anschlusszapfen 9 des Kugelzapfens 5 an.
Um die Fertigung eines Gehäuses, wie es beispielhaft in der Fig. 3 als Einzelteil gezeigt wird, zu vereinfachen, wird dieses als Kaltfließpressteil hergestellt. Es ist mit einer Innenmantelfläche 6 versehen, in die Erhebungen und/oder Vertiefungen 7 eingebracht sind. Die Erhebungen/Vertiefungen 7 sind hier mittels eines Räumwerkzeuges in einem Arbeitsgang hergestellt worden. Der somit gebildete Innenraum 2 des Gehäuses 1 dient der späteren Aufnahme der Lagerschale 3 in der vorbeschriebenen Weise.
Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Gehäuses 1 für ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk geht aus der Fig. 4 hervor. Hierbei weist das Gehäuse 1 eine Außenmantelfläche mit kreisförmigem Querschnitt auf, während die Innenmantelfläche 6 des Gehäuses 1 über einen polygonalen Querschnitt verfügt. Der somit entstandene Innenraum 2 dieses Gehäuses wird ebenfalls über eine plastische Verformung mit der Lagerschale 3 verbunden, so dass dadurch eine Sicherung der Lagerschale gegen eine Rotationsbewegung um die Längsmittenachse 16 gewährleistet ist. Bezugszeichenliste 1 Gehäuse
2 Innenraum
3 Lagerschale
4 Gelenkkugel
5 Kugelzapfen
6 Innenmantelfläche
7 Erhebung/Vertiefung
8 Austrittsöffnung
9 Anschlußzapfen
10 Ringbund
11 Ringkragen
12 Materialwulst
13 Dichtungsbalg
14 Schaft
15 Anschlußgewinde
16 Längsmittenachse
h Höhe

Claims

1. Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeuges mit einem wenigstens einseitig offenen Gehäuse (1), in dessen Innenraum (2) eine Lagerschale (3) eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel (4) eines Kugelzapfens (5) gleitbeweglich aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (2) entlang seiner Innenmantelfläche (6) Erhebungen und/oder Vertiefungen (7) aufweist, sodass die mit einem Übermaß zur Innenmantelfläche (6) versehene Lagerschale (3) unter teilweiser plastischer Verformung ihrer Außenoberfläche formschlüssig in das Gehäuse (1) eingesetzt ist.

2. Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeuges mit einem wenigstens einseitig offenen Gehäuse (1), in dessen Innenraum (2) eine Lagerschale (3) eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel (4) eines Kugelzapfens (5) gleitbeweglich aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (2) des Gehäuses (1) einen polygonalen Querschnitt aufweist, sodass die mit einem Übermaß zur Innenmantelfläche (6) versehene Lagerschale (3) unter teilweiser plastischer Verformung ihrer Außenoberfläche formschlüssig in das Gehäuse (1) eingesetzt ist.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erhebungen und/oder Vertiefungen (7) über die gesamte Höhe (h) des Gehäuses (1) erstrecken.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen (7) durch Umformverfahren erzeugt sind.

5. Kugelgelenk nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine Hohlzylinderform aufweist.

6. Kugelgelenk nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) durch ein Kaltfließpressverfahren oder durch spanende Bearbeitung hergestellt ist.

7. Kugelgelenk nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (3) einseitig eine Austrittsöffnung (8) aufweist, durch die ein mit der Gelenkkugel (4) verbundener Anschlußzapfen (9) des Kugelzapfens (5) herausragt und die Lagerschale (3) auf der der Austrittsöffnung (8) gegenüberliegenden Seite geschlossen ausgeführt ist.

8. Kugelgelenk nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (3) einseitig einen Ringbund (10) aufweist, der sich nach dem Einbau der Lagerschale (3) an einer Stirnfläche des Gehäuses (1) abstützt und die diesem Ringbund (10) in axialer Richtung gegenüberliegende Seite der Lagerschale (3) einen sich vor der Montage axial erstreckenden, zur Herstellung einer festsitzenden Verbindung zwischen Lagerschale und Gehäuse (1) umgeformten Ringkragen (11) aufweist.

9. Kugelgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkragen (11) mittels eines Schweißverfahrens oder eines Rollverfahrens umgeformt ist.

10. Kugelgelenk nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lagerschale (3) und Gehäuse (1) ein Bindemittel, insbesondere ein Klebstoff eingebracht ist.