WO2005021184A1 - Kugelzapfen und verfahren zur herstellung eines kugelzapfens - Google Patents
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- F16C2220/48—Shaping by deformation without removing material by extrusion, e.g. of metallic profiles
Definitions
- the invention relates to a method for producing a ball pin, in particular for a ball joint, according to claim 1, and a ball pin according to claim 3.
- Ball joints with ball pins of the type mentioned at the outset for example, but by no means exclusively, on the chassis or on the steering or wheel suspension of motor vehicles
- axial ball joints are used to connect and transmit motion between the steering gear and steering knuckle on the axles of motor vehicles.
- the ball stud it is necessary for the ball stud to be as slim as possible in its neck region adjacent to the ball or to have the smallest possible cross-section.
- a ball joint with a ball pin and a method for its production is known for example from DE 34 04 877 A1.
- a ball is formed on a round rod in a first process step by means of extrusion in a press sleeve. After the extrusion, however, the neck area of the ball pin adjacent to the ball still has to be processed separately in order to give this area the desired slim shape or the required reduced cross-sectional profile.
- the subsequent processing in the neck region of the ball stud blank produced by extrusion which is generally required in accordance with the prior art, and which mostly takes the form of machining, has various disadvantages. So the subsequent processing of the neck area on the one hand causes considerable additional manufacturing costs. On the other hand, the machining of the neck area interrupts the continuous fiber course in the component which is produced during extrusion and which is extremely advantageous for the strength of the component, as a result of which the fatigue strength of the ball stud machined in this way is disproportionately impaired. In addition, machining the neck area of a ball stud can further additional work steps, such as surface and / or heat treatment of the ball stud, which causes further high costs.
- the ball stud should have a largely arbitrarily shaped and tapered neck region, but no subsequent work steps, in particular no machining, should be necessary for its shaping.
- the method according to the invention is directed to the production of a ball pin, in particular for ball joints, axial joints and the like, the ball pin having a fastening area for connection, for example, to a steering knuckle, a shaft area arranged between the fastening area and the ball, and one of the Ball adjacent neck area, and includes the following process steps:
- a first blank is produced by extrusion in a press sleeve, preferably from a round rod section, which has at least one shank area, a neck area that tapers with respect to the shank area, and also a neck extension.
- the volume of the round rod section used and the geometry of the press sleeve and punch are selected so that the neck extension produced in the first process step has essentially the same volume as the ball formed in the subsequent process step.
- step b) the previously produced first blank is again formed into a second blank by extrusion molding.
- the neck extension previously created is formed into the ball of the ball pin.
- step c) the second blank previously produced is finished.
- the finishing process consists, for example, in a calibration of the ball stud, in the production of a fastening thread in the fastening region and / or in final heat treatment or surface treatment measures.
- the method according to the invention can produce ball studs with a cross-sectional shape that is practically arbitrary in the region of the ball neck, without further processing steps being required after the extrusion to design the retracted ball neck.
- the extensive machining in the region of the ball neck which is usually required according to the prior art, is dispensed with.
- the attachment region is produced essentially simultaneously with the creation of the neck region and the neck extension in method step a).
- the invention further relates to a ball pin, in particular for a ball joint, axial joint or the like, the ball pin having a fastening region for connection, for example, to a
- the ball pin is characterized in that it is produced by two-stage extrusion. At least the shaft area, tapered neck area and neck extension are dispensed with in the first stage of extrusion, and the ball is produced from the material of the neck extension in a further stage of extrusion.
- a ball stud with the features according to the invention is characterized in particular by the fact that it can be produced particularly inexpensively with only a minimal number of processing steps.
- the ball pin is also not machined, at least in the neck area.
- the ball pin according to the invention also has a particularly high fatigue strength, since the state of the art The usual machining or machining of the neck area adjacent to the ball, which is also the most heavily loaded area of the ball pin, is completely eliminated.
- Figure 1 is a schematic side view of a blank for a ball stud according to the prior art.
- Fig. 2 in a representation corresponding to Fig 1, the first blank of an imple mentation form of the ball pin according to the invention.
- FIG. 3 in a representation corresponding to FIGS. 2 and 3, the second blank of the embodiment according to FIG. 2.
- FIG. 1 shows a blank 1 produced by extrusion for a ball pin, as is used according to the prior art for the production of ball pins.
- a fastening area 2 a shaft area 3 and a ball 4 can be seen.
- the neck area 5 of the ball pin 1 can be not be manufactured with the desired diameter, which is reduced compared to the shank region 3, since such an undercut would make it impossible for the extruded blank to be removed from the press sleeve.
- FIG. 2 shows a first blank 6, produced by extrusion, of an embodiment of a ball pin according to the invention or produced with the method according to FIG. 3. Again, a fastening area 7 and a shaft area 8 can be seen. However, the blank 6 already has one the desired way of tapering the neck region 9, and additionally a neck extension 10.
- the neck extension 10 is dimensioned with respect to its cross-sectional area and with respect to its length designated by letter a in FIG. 2 or FIG. 3 in such a way that the volume of the neck extension 10 also corresponds to the volume of the ball 12 of the second ball pin blank 11 according to FIG. 3 equivalent.
- the first blank 6 can be transferred into the second blank 11 by a second extrusion process, essentially only the neck extension 10 of the first blank 6
- Ball 12 of the second blank 1 1 is to be formed.
- Appropriate process control for example by using a split pressing tool for producing the ball 12, can ensure that the blank 6 already present on the first blank tapering neck area 9 remains unchanged even on the second blank 1 1.
- Axial joints can be significantly simplified and accelerated.
- the invention also makes considerable improvements in terms of the strength of the ball pins, in particular in the neck area between the ball and the shaft of the ball, thanks to the completely chipless production of the ball pin blank
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kugelzapfen (11), insbesondere für Kugelgelenke, Axialgelenke und dergleichen. Ferner betrifft die Erfindung einen Kugelzapfen (11). Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt der bereits verjüngte Halsbereich (9) des Kugelzapfenrohlings (6) sowie eine Halsverlängerung (10) fließgepresst werden, während die Kugel (12) des Kugelzapfens (11) in einem weiteren Schritt durch Umformen der Halsverlängerung (10) erzeugt wird. Der erfindungsgemäße, im Wesentlichen durch zweistufiges Fließpressen hergestellte Kugelzapfen (11) zeichnet sich durch besonders hohe Festigkeit des hochbelasteten Halsbereichs (9) aus. Mit der Erfindung lässt sich die Herstellung von Kugelzapfen für Kugelgelenke, insbesondere für Axialgelenke, bedeutend vereinfachen und beschleunigen. Neben verbesserter Qualität der Kugelzapfen, insbesondere im Halsbereich (9), werden so gleichzeitig Einsparungen bei den Herstellungskosten erzielt.
Description
Kugelzapfen und Verfahren zur Herstellung eines Kugelzapfens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelzapfens, insbesondere für ein Kugelgelenk, gemäß Patentanspruch 1 , sowie einen Kugelzapfen gemäß Patentanspruch 3.
Kugelgelenke mit Kugelzapfen der eingangs genannten Art kommen beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, am Fahrwerk oder an der Lenkung bzw. Radaufhängung von Kraftfahrzeugen zum
Einsatz. So dienen beispielsweise Axial-Kugelgelenke der Verbindung und Bewegungsübertragung zwischen Lenkgetriebe und Achsschenkel an Achsen von Kraftfahrzeugen. Aus Gründen der Gewichtsersparnis und zur Gewährleistung eines möglichst großen Schwenkwinkels bei gleichzeitig hoher axialer Ausreißfestigkeit ist es dabei erforderlich, dass der Kugelzapfen in seinem an die Kugel angrenzenden Halsbereich möglichst schlank ausgeführt ist bzw. einen möglichst geringen Querschnitt aufweist.
Gleichzeitig müssen jedoch selbstverständlich sämtliche im Betrieb des Kugelgelenks auftretenden Biegebelastungen bzw. in zapfenaxialer Richtung wirkenden Kräfte auch vom Halsbereich des Kugelzapfens mit Sicherheit und ohne Materialversagen aufgenommen werden.
Ein Kugelgelenk mit einem Kugelzapfen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung ist beispielsweise aus der DE 34 04 877 A 1 bekannt. Zur Herstellung des Kugelzapfens dieses bekannten Kugelgelenks wird in einem ersten Verfahrensschritt mittels Fließpressen in einer Pressbüchse eine Kugel an einen Rundstab angeformt. Nach dem Fließpressen muss jedoch der an die Kugel angrenzende Halsbereich des Kugelzapfens noch separat bearbeitet werden, um diesem Bereich die gewünschte schlanke Form bzw. den erforderlichen reduzierten Querschnittverlauf zu verleihen.
Diese nachträgliche Bearbeitung ist bei dem bekannten Kugelzapfen, und bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung von Kugelzapfen mittels Fließpressen, grundsätzlich erforderlich, da der eingezogene Halsbereich des Kugelzapfens grundsätzlich einen Hinterschnitt darstellt, der das Entformen eines mit eingezogenem Halsbereich gepressten Kugelzapfens aus der Pressbüchse verunmöglichen würde.
Die gemäß dem Stand der Technik somit grundsätzlich erforderliche nachträgliche Bearbeitung im Halsbereich des durch Fließpressen erzeugten Kugelzapfenrohlings, die zumeist in Form einer spanabhebenden Bearbeitung stattfindet, bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich. So werden durch die nachträgliche Bearbeitung des Halsbereiches einerseits nicht unerhebliche zusätzliche Fertigungskosten verursacht. Andererseits wird durch die spanabhebende Bearbeitung des Halsbereichs der beim Fließpressen erzeugte, für die Festigkeit des Bauteils äußerst vorteilhafte durchgängige Faserverlauf im Bauteil unterbrochen, wodurch insbesondere die Dauerfestigkeit des so bearbeiteten Kugelzapfens überproportional stark beeinträchtigt wird. Außerdem kann eine spanabhebende Bearbeitung des Halsbereichs eines Kugelzapfens weitere zusätzliche Arbeitsschritte, wie beispielsweise Oberflächen-
und/oder Wärmebehandlung des Kugelzapfens erforderlich machen, was weitere hohe Kosten verursacht.
Eine im Stand der Technik ebenfalls beschriebene Möglichkeit der nachträglichen Erzeugung eines eingezogenen Halsbereichs an einem Kugelzapfen durch Rundkneten oder dergleichen, die ohne spanabhebende Bearbeitung auskommt, ist jedoch ebenfalls nachteilig. Dies hängt damit zusammen, dass das bei einer solchen nachträglichen spanlosen Erzeugung eines verjüngten Haisquerschnitts verdrängte Kugelzapfenmaterial aufgrund der Kontinuitätsbedingung an anderer Stelle des Kugelzapfens angelagert werden muss, was bedeutet, dass der Kugelzapfen sich bei einer solchen Umformung entweder an anderer Stelle verdickt oder aber seine Länge verändert, was zu Problemen mit der Einhaltung der Fertigungstoleranzen führt.
Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fließpressverfahren zur Herstellung eines Kugelzapfens, sowie einen
Kugelzapfen zu schaffen, mit dem sich die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden lassen, wobei insbesondere der Kugelzapfen einen weitestgehend beliebig geformten und verjüngten Halsbereich erhalten soll, zu dessen Formgebung jedoch keinerlei nachträglichen Arbeitsschritte, insbesondere keine spanabhebende Bearbeitung, erforderlich sein sollen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch einen Kugelzapfen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich auf die Herstellung eines Kugelzapfens, insbesondere für Kugelgelenke, Axialgelenke und dergleichen, wobei der Kugelzapfen einen Befestigungsbereich zur Verbindung beispielsweise mit einem Achsschenkel, einen zwischen Befestigungsbereich und Kugel angeordneten Schaftbereich sowie einen der
Kugel benachbarten Halsbereich aufweist, und umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
In einem ersten Verfahrensschritt a) wird durch Fließpressen in einer Pressbüchse, vorzugsweise aus einem Rundstababschnitt, ein erster Rohling erzeugt, der zumindest einen Schaftbereich, einen sich gegenüber dem Schaftbereich verjüngenden Halsbereich sowie darüber hinaus eine Halsverlängerung aufweist. Das Volumen des verwendeten Rundstababschnitts und die Geometrie von Pressbüchse und Stempel sind dabei so gewählt, dass die im ersten Verfahrensschritt erzeugte Halsverlängerung im wesentlichen dasselbe Volumen aufweist wie die im anschließenden Verfahrensschritt geformte Kugel.
Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt b) der zuvor erzeugte erste Rohling wiederum durch Fließpressen zu einem zweiten Rohling umgeformt. Dabei wird die zuvor erzeugte Halsverlängerung zur Kugel des Kugelzapfens umgeformt.
Schließlich erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt c) die Fertigbearbeitung des zuvor erzeugten zweiten Rohlings. Die Fertigbearbeitung besteht beispielsweise in einer Kalibrierung des Kugelzapfens, in der Erzeugung eines Befestigungsgewindes im Befestigungsbereich und/oder in abschließenden Wärmebehandlungs- bzw. Oberflächenbehandlungsmaßnahmen.
Auf diese Weise lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zum Stand der Technik Kugelzapfen mit im Bereich des Kugelhalses praktisch beliebigem Querschnittsverlauf durch Fließpressen erzeugen, ohne dass nach dem Fließpressen zur Gestaltung des eingezogenen Kugelhalses weitere Bearbeitungsschritte erforderlich wären. Insbesondere entfällt die gemäß Stand der Technik zumeist erforderliche umfangreiche spanabhebende Bearbeitung im Bereich des Kugelhalses.
Für die Erfindung ist es dabei unwesentlich, wann bzw. in welchem Verfahrensschritt der Befestigungsbereich des durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Kugelzapfens ausgebildet bzw. ausgeformt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäße Verfahren erfolgt die Erzeugung des Befestigungsbereichs jedoch im wesentlichen gleichzeitig mit der Erzeugung des Halsbereichs und der Halsverlängerung im Verfahrensschritt a). Dies ist insofern vorteilhaft, als auf diese Weise durch einen einzigen Fließpressvorgang gleichzeitig Schaftbereich, Halsbereich, Halsverlängerung und Befestigungsbereich ausgeformt werden können, wonach im Verfahrensschritt b) im wesentlichen lediglich noch die Halsverlängerung zur Kugel umgeformt werden muss, um den vollständigen Kugelzapfenrohling zu erhalten.
Die Erfindung betrifft ferner einen Kugelzapfen, insbesondere für ein Kugelgelenk, Axialgelenk oder dergleichen, wobei der Kugelzapfen einen Befestigungsbereich zur Verbindung beispielsweise mit einem
Achsschenkel, einen zwischen Befestigungsbereich und Kugel angeordneten Schaftbereich sowie einen an die Kugel angrenzenden Halsbereich mit verjüngtem Querschnitt aufweist. Erfindungsgemäß zeichnet sich der Kugelzapfen dadurch aus, dass er durch zweistufiges Fließpressen hergestellt ist. Dabei entfallen auf die erste Stufe des Fließpressens zumindest Schaftbereich, verjüngter Halsbereich und eine Halsverlängerung, und auf eine weitere Stufe des Fließpressens die Erzeugung der Kugel aus dem Material der Halsverlängerung.
Ein Kugelzapfen mit den erfindungsgemäßen Merkmalen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er besonders kostengünstig mit einer nur minimalen Anzahl von Bearbeitungsschritten hergestellt werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zudem der Kugelzapfen zumindest im Halsbereich nicht spanabhebend bearbeitet. Auf diese Weise erhält der erfindungsgemäße Kugelzapfen zudem eine besonders hohe Dauerfestigkeit, da die nach dem Stand der
Technik übliche bzw. erforderliche spanabhebende Bearbeitung des an die Kugel angrenzenden Halsbereichs, der noch dazu den am stärksten belasteten Bereich des Kugelzapfens darstellt, komplett entfällt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer seitlicher Ansicht einen Rohling für einen Kugelzapfen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung den ersten Rohling einer Aus führungs form des erfindungsgemäßen Kugelzapfens; und
Fig. 3 in einer Fig. 2 und 3 entsprechenden Darstellung den zweiten Rohling der Aus führungs form gemäß Fig. 2.
Fig. 1 zeigt einen durch Fließpressen hergestellten Rohling 1 für einen Kugelzapfen, wie er gemäß dem Stand der Technik zur Herstellung von Kugelzapfen verwendet wird. Man erkennt zunächst einen Befestigungsbereich 2, einen Schaftbereich 3 und eine Kugel 4. Da Schaftbereich 3, Kugel 4 und der Halsbereich 5 des Rohlings gemäß Fig. 1 zumeist in einem Arbeitsgang bzw. in einem Werkzeug fließgepresst werden, kann der Halsbereich 5 des Kugelzapfens 1 nicht mit dem gewünschten, gegenüber dem Schaftbereich 3 verringerten Durchmesser gefertigt werden, da eine solche Hinterschneidung die Entformung des fließgepressten Rohlings aus der Pressbüchse verunmöglichen würde.
Zur Verwendung als Kugelzapfen ist es aus Gründen der Gewichtsersparnis und zur Erreichung eines möglichst großen Schwenkwinkels des Kugelgelenks, bei gleichzeitig hoher Ausreißfestigkeit des Kugelgelenks jedoch erforderlich, dass der an die Kugel 4 angrenzende, notwendigerweise gerade fließgepresste
Halsbereich 5 noch bearbeitet wird, was zumeist durch spanabhebende Bearbeitung erfolgt. Dabei muss, insbesondere bei Kugelzapfen für Axialgelenke, die eine verhältnismäßig große Schaftlänge aufweisen, eine beträchtliche Menge an Material abgetragen werden, um dem Halsbereich 5 des Kugelzapfens 1 die gewünschte schlanke Form zu geben. Diese nachträgliche Bearbeitung des Halsbereichs 5 ist jedoch, wie eingangs beschrieben, nachteilig in Bezug auf die Herstellungskosten sowie wegen der damit verbundenen Beeinträchtigung der Festigkeit des fließgepressten Kugelzapfenrohlings.
Fig. 2 zeigt einen durch Fließpressen erzeugen ersten Rohling 6 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kugelzapfens gemäß Fig. 3. Man erkennt wiederum einen Befestigungsbereich 7 und einen Schaftbereich 8. Darüber hinaus weist der Rohling 6 jedoch bereits einen sich in der gewünschten Weise verjüngenden Halsbereich 9, sowie zusätzlich eine Halsverlängerung 10 auf.
Die Halsverlängerung 10 ist dabei in Bezug auf ihre Querschnittsfläche sowie bezüglich ihrer in Fig. 2 bzw. Fig. 3 mit Buchstabe a bezeichneten Länge so bemessen, dass der Rauminhalt der Halsverlängerung 10 auch dem Rauminhalt der Kugel 12 des zweiten Kugelzapfenrohlings 11 gemäß Fig. 3 entspricht.
Daher kann der erste Rohling 6 durch einen zweiten Fließpressvorgang in den zweiten Rohling 1 1 überführt werden, wobei im wesentlichen lediglich noch die Halsverlängerung 10 des ersten Rohlings 6 zur
Kugel 12 des zweiten Rohlings 1 1 umzuformen ist. Durch geeignete Verfahrensführung, beispielsweise durch Verwendung eines geteilten Presswerkzeugs zur Herstellung der Kugel 12, lässt sich dabei gewährleisten, dass der bereits am ersten Rohling 6 vorhandene, sich
verjüngende Halsbereich 9 auch am zweiten Rohling 1 1 unverändert erhalten bleibt.
Auf diese Weise lässt sich somit im einfachsten Fall lediglich durch zwei Fließpress- bzw. Umformvorgänge der dem fertigen Kugelzapfen weitestgehend entsprechende Rohling 1 1 erhalten, welcher auch und gerade im besonders hoch beanspruchten Halsbereich 9 einen ungestörten Faserverlauf aufweist, da eine spanabhebende Bearbeitung in diesem Bereich nicht mehr notwendig ist.
Im Ergebnis wird damit deutlich, dass dank der Erfindung die Herstellung von Kugelzapfen für Kugelgelenke, insbesondere für
Axialgelenke, bedeutend vereinfacht und beschleunigt werden kann.
Neben den somit erzielbaren Kosteneinsparungen bei der Herstellung der Kugelzapfen werden mit der Erfindung dank der komplett spanlos ausführbaren Fertigung des Kugelzapfenrohlings außerdem erhebliche Verbesserungen in Bezug auf die Festigkeit der Kugelzapfen, insbesondere im Halsbereich zwischen Kugel und Schaft des
Kugelzapfens, erzielt.
Bezugszeichenliste
Rohling
Befestigungsbereich
Schaftbereich
Kugel
Halsbereich
Rohling
Befestigungsbereich
Schaftbereich
Halsbereich
Halsverlängerung
Rohling
Kugel
Länge der Halsverlängerung
Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Kugelzapfens, insbesondere für Kugelgelenke, durch Fließpressen, der Kugelzapfen aufweisend Befestigungsbereich, Schaftbereich, Halsbereich und Kugel, mit den Verfahrensschritten: a) Fließpressen eines ersten Rohlings, wobei der erste Rohling einen sich gegenüber dem Schaftdurchmesser verjüngenden Halsbereich sowie eine Halsverlängerung erhält, und wobei die Halsverlängerung im wesentlichen dasselbe Volumen wie die anschließend erzeugte Kugel erhält; b) Umformen des ersten Rohlings zu einem zweiten Rohling durch Fließpressen, wobei die Halsverlängerung zur Kugel umgeformt wird; und c) Fertigbearbeitung des zweiten Rohlings.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gek ennz ei chnet, dass die Erzeugung des Befestigungsbereichs im wesentlichen gleichzeitig mit der Erzeugung von Halsbereich und Halsverlängerung während des Fließpressens des ersten Rohlings (Verfahrensschritt a)) erfolgt.
3. Kugelzapfen, insbesondere für Kugelgelenk, der Kugelzapfen aufweisend Befestigungsbereich, Schaftbereich, Halsbereich und Kugel, wobei der Halsbereich einen sich gegenüber dem Schaftdurchmesser verjüngenden Querschnitt aufweist, dadurch gekennz ei chnet, dass der Kugelzapfen durch zweistufiges Fließpressen hergestellt ist, wobei in der ersten Stufe zumindest Schaftbereich, verjüngter Halsbereich und eine Halsverlängerung erzeugt sind, und in einer weiteren Stufe aus der Halsverlängerung die Kugel erzeugt ist.
4. Kugelzapfen nach Anspruch 3, dadurch gekennz ei chnet, dass der Kugelzapfen zumindest im Halsbereich nicht spanabhebend bearbeitet ist.
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2004
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- 2004-08-18 WO PCT/DE2004/001850 patent/WO2005021184A1/de not_active Ceased
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Also Published As
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| DE10339118A1 (de) | 2005-03-31 |
| EP1656227A1 (de) | 2006-05-17 |
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