Kugelgelenk
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, mit einem Kugelzapfen, der mit einer in einem Gehäuse schwenkbar und drehbar gelagerten ersten sphäroidischen Lagerfläche ausgestattet ist, wobei zwischen der ersten sphäroidischen Lagerfläche und einer weiteren, in dem Gehäuse gelagerten und mit dem Kugelzapfen verbundenen sphäroidischen Lagerfläche ein Wälzlager vorhanden ist.
Kugelgelenke, wie sie insbesondere für Radaufhängungen in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, sind zum Teil extremen Belastungen ausgesetzt, die aus mechanischen Beanspruchungen bestehen können oder durch thermische beziehungsweise chemische Einflüsse verursacht werden. Ihre konstruktive Auslegung erfolgt heute derart, dass sie unter normalen Umständen während der Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges nicht ausgetauscht und nicht gewartet werden müssen.
Kugelgelenke werden in Kraftfahrzeugen mit radialen und axialen Kräften beaufschlagt, die zum Teil erhebliche Ausmaße annehmen können. Zudem muss der Kugelzapfen eine Rotationsbewegung um seine Mittenachse ermöglichen. Mit zunehmender Baugröße eines Kugelgelenkes nehmen auch die in dem Kugelgelenk zu verzeichnenden Drehmomente beziehungsweise Reibmomente zu. Dies wirkt sich insbesondere im Lenkungsbereich nachteilig aus, da hier erhöhte Kräfte aufzubringen sind, um die Lenkbarkeit des Kraftfahrzeuges zu gewährleisten. Darüber hinaus führen hohe Dreh- und Reibmomente
innerhalb des Kugelgelenkes zu Verschleiß sowie zu der Gefahr, dass gesetzliche Vorgaben bezüglich des Lenkungsrücklaufes nicht eingehalten werden können.
Zur Verminderung der Dreh- beziehungsweise Reibmomente innerhalb eines Kugelgelenkes weisen beispielsweise die aus der US 2,954,993 und der US 2,645,510 bekannten Kugelgelenke einen Kugelzapfen auf, der mit einer in einem Gehäuse schwenkbar und drehbar gelagerten ersten sphäroidischen Lagerfläche ausgestattet ist, wobei zwischen der ersten sphäroidischen Lagerfläche und einer weiteren, in dem Gehäuse gelagerten und mit dem Kugelzapfen verbundenen sphäroidischen Lagerfläche ein Wälzlager vorhanden ist. Als Wälzlager werden nach dem Offenbarungsgehalt der genannten Schriften einreihige Rillenkugellager zum Einsatz gebracht. Die Gelenkkugel besteht bei diesen Lösungen aus jeweils zwei separaten Einzelteilen, wobei zwischen den Gelenkkugelteilen das bezeichnete Wälzlager aufgenommen ist. Mit einem derartigen Kugelgelenk kann infolge der geringen Rollreibung der Wälzlager eine Rotationsbewegung des Kugelzapfens mit sehr geringen Reibmomenten umgesetzt werden.
Die aus den genannten Druckschriften bekannten Kugelgelenke weisen jedoch auch Nachteile auf. So handelt es sich hierbei jeweils um metallische, sphäroidische Lagerflächen, die unmittelbar in einem ebenfalls aus Metall bestehenden Gehäuse gelagert sind. Durch die Kontaktpaarung Metall/Metall werden von der Fahrbahn über die Radaufhängung und das darin befindliche Kugelgelenk eingeleitete Schwingungen unmittelbar, also ohne eine Dämpfung, an die das Kugelgelenk aufnehmenden Bauteile des Kraftfahrzeugs weitergeleitet und sind somit für den Fahrzeugführer spürbar. Damit ist jedoch eine Komforteinbuße gegeben, die nicht akzeptabel ist. Infolge der verwendeten Lagerpaarung ist es darüber hinaus notwendig, die Kugelgelenke regelmäßig zu warten. Die Wartung besteht im vorliegenden Fall darin, dass über an dem Kugelgelenk vorhandene SchmiermitteleinfüUöffnungen Fett nachgefüllt werden muss.
Der wesentlichste Nachteil der aus der US 2,954,993 und der US 2,645,510 bekannten Kugelgelenkausführungen ist jedoch darin zu sehen, dass die verwendeten Wälzlager ausschließlich für eine Belastung in axialer Richtung, bezogen auf den nicht ausgelenkten
Kugθlzapfen, ausgelegt sind. Die liier zum Einsatz kommenden Wälzlager eignen sich nicht dafür, Radialkräfte aufzunehmen beziehungsweise weiterzuleiten.
Darüber hinaus stellt sich bei derartigen Wälzlagern das Problem, dass bei auftretendem Gelenkverschleiß und einer damit einhergehenden Lockerung der inneren Gelenkbauteile auch das Spiel innerhalb des Wälzlagers zunimmt. Dadurch kann es jedoch dazu kommen, dass sich die Wälzkörper verschieben und verklemmen und somit ihre störungsfreie Funktionsweise nicht mehr sicher gewährleistet ist. Die sich zwangsläufig daraus ergebende Folge für das betreffende Kugelgelenk würde darin bestehen, dieses insgesamt auszuwechseln.
Eine andere Lösung geht aus der US 2,544,583 hervor. Das darin beschriebene Kugelgelenk ist für Radaufhängungen in Kraftfahrzeugen ausgelegt. Es weist einen Kugelzapfen auf, der mit einer in einem Gehäuse schwenkbar und drehbar gelagerten ersten sphäroidischen Lagerfläche ausgestattet ist, wobei zwischen der ersten sphäroidischen Lagerfläche und einer weiteren, in dem Gehäuse gelagerten und mit dem Kugelzapfen verbundenen sphäroidischen Lagerfläche ein Wälzlager vorhanden ist. Das in dieser Schrift verwendete Wälzlager ist ein Zylinderrollenlager. Derartige Zylinderrollenlager sind dazu geeignet, bezogen auf die Rotationsachse der Wälzkörper hohe Radialkräfte aufzunehmen. Allerdings können Zylinderrollenlager keine oder nur äußerst geringe Axialkräfte übertragen. Bei den komplexen Belastungen eines Kugelgelenkes in einem Kraftfahrzeug, die auch überlagerte Kraft- und Momenteinwirkungen in axialer sowie radialer Richtung mit sich bringen, ist ein derartiges Kugelgelenk nur sehr begrenzt einsetzbar. Auch die in dieser Schrift beschriebene Ausführungsform stellt eine Metall-Metall-Lagerung dar, weil sowohl die Teile der Gelenkkugel als auch das Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind und eine unmittelbare Kontakrpaarung bilden. Auch das Gelenk nach der US 2,544,583 bedarf deshalb einer permanenten Wartung in festgelegten Zeitabständen, die wie bei den zuvor beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Kugelgelenken durch eine Fettschmierung erfolgt. Hierzu weist auch das in der US 2,544,583 beschriebene Kugelgelenk eine Schmiermitteleinfüllöffnung auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk bereitzustellen, das in der Lage ist, sowohl Axial- als auch Radialbelastungen über den Kugelzapfen aufzunehmen und entsprechend zu kompensieren. Das Kugelgelenk sollte einfach aufgebaut und damit kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Entsprechend schlägt der Erfinder vor, ein Kugelgelenk mit einem Kugelzapfen, der mit einer in einem Gehäuse schwenkbar und drehbar gelagerten ersten sphäroidischen Lagerfläche ausgestattet ist, wobei zwischen der ersten sphäroidischen Lagerfläche und einer weiteren, in dem Gehäuse gelagerten und mit dem Kugelzapfen verbundenen sphäroidischen Lagerfläche ein Wälzlager vorhanden ist, dahingehend weiterzubilden, dass das Wälzlager ein Radial- und Axialkräfte übertragendes Wälzlager ist.
Ein derartig ausgestattetes Kugelgelenk zeichnet sich insbesondere durch extrem niedrige Dreh- beziehungsweise Reibmomente um die Längsachse des Kugelzapfens aus. Dabei können gleichzeitig hohe axiale und radiale Kräfte übertragen werden. Sich im Laufe der Lebensdauer eines derartigen Kugelgelenkes gegebenenfalls einstellende Spiele zwischen den Gelenkbauteilen können durch das erfindungsgemäße Wälzlager kompensiert werden, so dass hier keine Auswirkungen auf die weitere Verwendbarkeit des Kugelgelenkes zu befürchten sind. Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung eines Kugelgelenkes wurde die Möglichkeit geschaffen, die Rotationsbewegung des Kugelzapfens um seine axiale Mittenachse vollständig von der Schwenkbewegung des Kugelzapfens zu trennen. Somit ergeben sich insgesamt vollkommen neue konstruktive Wege zur Auslegung derartiger Kugelgelenke. Es wird eine kostengünstige Variante eines Kugelgelenkes bereit gestellt, die durch ihren einfachen Aufbau den Fertigungsaufwand und damit die Herstellungskosten erheblich reduziert.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schlagen die Erfinder vor, dass das Wälzlager ein zweireihiges Schrägkugellager, ein Kegelrollenlager oder ein
Pendelrollenlager bildet. Diese zuvor genannten Wälzlagerarten sind jeweils geeignet, in erfindungsgemäßer Weise sowohl axiale als auch radiale Belastungen aufzunehmen und derartig gerichtete Kräfte zu übertragen.
Der Aufbau eines zweireihigen Schrägkugellagers entspricht einem Paar von einreihigen Schrägkugellagern in O-Anordnung. Derartige Lager haben konstruktiv bedingt sehr geringe Spiele.
Die zuvor genannten Kegelrollenlager zeichnen sich durch eine sehr hohe Tragfähigkeit aus und können kombinierte und komplexe Belastungen aufnehmen. Dabei kann es zur Aufnahme axialer Kräfte erforderlich werden, ein zweites, spiegelbildlich angeordnetes Kegelrollenlager vorzusehen, um hiermit eine Gegenführung zu ermöglichen.
Die vorgeschlagenen Pendelrollenlager sind für schwerste Belastungen geeignet. Bei einem derartigen Pendelrollenlager laufen zwei Reihen Tonnenrollen auf einer hohlkugeligen Bahn. Die Rollen werden an festen Borden geführt, so dass dadurch neben den radialen Belastungen auch axiale Kräfte aufgenommen werden können. Je nach vorgesehenem Einsatzfall des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes kann eines dieser Wälzlager ausgewählt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung wird von den Erfindern auch darin gesehen, dass die Rotationsachse der Wälzkörper der Wälzlager mit der Längsachse des Kugelzapfens einen Winkel α einschließt. Dies bedeutet praktisch betrachtet, dass die Wälzkörper eine Schrägstellung aufweisen. Durch diese Anordnung der Wälzkörper wird es möglich, sowohl radiale als auch axiale Belastungen verbessert aufzunehmen, ohne dass dabei die positiven Eigenschaften des Kugelgelenkes reduziert werden, die insbesondere in der äußerst geringen Reibung bei einer Rotationsbewegung des Kugelzapfens zu sehen sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung dieses Gedankens kann der Winkel α zwischen 0° und 90° betragen. Bevorzugt werden jedoch Anordnungen der Wälzkörper in Relation zur Längsachse des Kugelzapfens unter einem Winkel α von 45°. Es hat sich gezeigt, dass
insbesondere die Anordnung unter 45° eine sehr vorteilhafte Kraftübertragung ermöglicht und damit den Anforderungen an das Kugelgelenk am besten Rechnung getragen werden kann.
Im Zuge einer vereinfachten Fertigung und einer damit einhergehenden Kostenreduzierung bei der Herstellung erfindungsgemäßer Kugelgelenke wird darüber hinaus vorgeschlagen, eine Art Baukastensystem zu schaffen. Demgemäß geht eine Lösung der Erfindung dahin, dass der Kugelzapfen eine mindestens zweiteilige Gelenkkugel aufweist und das Wälzlager innerhalb der zusammengesetzten Gelenkkugel aufgenommen ist. Durch die mindestens zweiteilige Ausführung der Gelenkkugel ergeben sich Konstruktionsspielräume, die je nach den an das Gelenk gestellten Anforderungen ein hohes Maß an Variabilität der einzelnen Bauteile ermöglicht. Die große Flexibilität geht einher, mit der Möglichkeit, standardisierte Bauteile einzusetzen.
Diesen zuvor beschriebenen Erfindungsgedanken haben die Erfinder dahingehend weitergeführt, dass die Wälzkörper lose in hierzu geeignete Laufbahnoberflächen zwischen den korrespondierenden Gelenkkugelteilen eingeordnet werden können. Dies bedeutet, dass keine zuvor fertig gestellten Wälzlager verwendet werden müssen, um die erfindungsgemäße Lösung umzusetzen, sondern es ist damit möglich, durch eine Laufbahn innerhalb der miteinander korrespondierenden Gelenkkugelteile und darin eingesetzter Wälzkörper eine sehr einfache Montage des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes umzusetzen und darüber hinaus die Anordnung der Wälzkörper zwischen den Gelenkkugelteilen in beliebiger Weise vorsehen zu können. Damit lassen sich ohne Schwierigkeiten auch die eingangs genannten Schrägstellungen der Wälzkörper relativ zur Längsachse des Kugelzapfens umsetzen. Die innerhalb der Gelenkkugelteile vorgesehenen Laufbahnoberflächen müssen lediglich geeignet sein, die Wälzkörper aufzunehmen und entsprechend zu führen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung kann darin gesehen werden, dass das Wälzlager innerhalb des Kugelgelenkes einen Drehkranz bildet.
Zur Komfortverbesserung und Reduzierung der Körperschallübertragung eines
erfindungsgθmäßen Kugelgelenkes schlagen die Erfinder darüber hinaus vor, die Gelenkkugel insgesamt in einer in dem Gehäuse aufgenommenen Lagerschale schwenkbar zu lagern. Eine derartige Lagerschale weist den Vorteil auf, dass sie einerseits über das Kugelgelenk eingeleitete Schwingungen reduziert, das heißt dämpft, und andererseits eine Wartungsfreiheit des Kugelgelenkes mit sich bringt. Durch die Verwendung einer elastischen Lagerschale muss demgemäß keine nachträgliche Schmierung des Kugelgelenkes in vorgeschriebenen Wartungsintervallen mit Fett erfolgen. Geeignete Lagerschalenwerkstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt. Besonders vorteilhaft lassen sich beispielsweise Werkstoffe einsetzen, wie POM-, PEEK- oder ähnliche Werkstoffe mit guten tribologischen Eigenschaften, die im vorliegenden Fall die Kippmomente auf ein Minimum reduzieren. Diese wartungsfreien Werkstoffe weisen zum Teil selbstschmierende Eigenschaften auf, wobei sie darüber hinaus die zuvor erwähnten Dämpfungseigenschaften mit sich bringen.
Zur Fixierung der Lagerschale innerhalb des Gehäuses kann ein Haltering zum Einsatz kommen. Dieser Haltering ist auch dazu geeignet, die Lagerschale begrenzt elastisch vorzuspannen. Damit ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass die Lagerschale auch bei einer durch Verschleiß bedingten Abnutzung im Laufe der Lebensdauer des Kugelgelenkes eine selbsttätige Nachspannung erfährt, so dass sich die Gelenkbauteile innerhalb des Kugelgelenkes nicht lockern. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk ist damit für eine sehr lange Lebensdauer bei extrem hohen sowohl radialen als auch axialen Belastungen ausgelegt. Der Haltering kann durch Form- oder Kraftschluss beispielsweise durch die Umformung eines Teilbereiches des Gehäuserandes in dem Gehäuse festgelegt werden und fixiert dabei gleichzeitig die Lagerschale in der zuvor beschriebenen Weise.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1: einen teilweisen Querschnitt durch ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes
Kugelgelenk, Figur 2: den Schnittverlauf II aus Figur 1.
In der Figur 1 ist beispielhaft und im Teüschnitt eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kugelgelenkes dargestellt. Dieses weist einen Kugelzapfen 1 auf, der in einem Gehäuse 2 schwenkbar und drehbar gelagert ist. Bei dem dargestellten Beispiel verfügt der gehäuseseitige Endbereich des Kugelzapfens 1 über eine erste sphäroidische Lagerfläche 3, die zusammen mit einer mit dem Kugelzapfen 1 verbundenen zweiten sphäroidischen Lagerfläche 4 eine insgesamt mit 9 bezeichnete Gelenkkugel bildet.
Zwischen den Gelenkkugelteilen 9.1 und 9.2 ist ein Wälzlager 5 eingebracht. Dieses Wälzlager 5 besteht aus in den Gelenkkugelteilen 9.1 und 9.2 vorhandenen Laufbahnen 10, in die lose zahlreiche Wälzkörper 7 eingesetzt sind. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht nun darin, dass die Wälzkörper 7 eine Schrägstellung zur Längsmittenachse 8 des Kugelzapfens 1 aufweisen. Als Schrägstellung wird dabei eine geneigte Einbaulage verstanden, so dass die Rotationsachse 6 der Wälzkörper 7 mit der Längsmittenachse 8 des Kugelzapfens 1 einen Winkel α einschließt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelgelenkes in Figur 1 beträgt der Winkel α = 45°. Diese Positionierung der Wälzkörper 7 zwischen den Gelenkkugelteilen 9.1 und 9.2 ermöglicht eine optimale Übertragung der auf den Kugelzapfen 1 eingeleiteten Axialkräfte beziehungsweise der radialen Belastungen des Kugelgelenkes. Die Gelenkkugel 9 ist insgesamt innerhalb einer Lagerschale 11 schwenkbar gelagert. Für die Reduzierung der Reibmomente der Rotationsbewegung des Kugelzapfens 1 sorgen die Wälzlager 5, während die Schwenkbewegung des Kugelzapfens 1 innerhalb des Gehäuses 2 durch die Lagerschale 11 vordefinierte Reibwerte erhält.
Das in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 gezeigte Kugelgelenk verfügt über ein einseitig offenes Gehäuse 2. Im öffnungsseitigen Bereich des Gehäuses 2 ist ein Haltering 12 vorhanden, dessen Fixierung durch eine zumindest teilweise Umformung eines Gehäusebereiches erfolgt. Der Haltering 12 dient dazu, die Lagerschale und mit ihr die darin ausgenommene Gelenkkugel 9 des Kugelzapfens 1 innerhalb des Gehäuses 2 in ihrer Lage zu fixieren. Hierzu ist es von Vorteil, dass die Lagerschale 11 aus einem Kunststoff hergestellt wird und elastische Eigenschaften aufweist. Durch diese Eigenelastizität der Lagerschale 11
wird auch ein selbsttätiges Nachstellen der Gelenkbauteile ermöglicht, sofern sich im Laufe der Lebensdauer des Kugelgelenkes zwischen den Lagerbauteilen ein Spiel einstellen sollte. Somit ist das Kugelgelenk insgesamt wartungsfrei für die gesamte ausgelegte Lebensdauer. Zum Schutz der inneren Gelenkbauteile vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen dient ein Dichtungsbalg 13. Dieser ist einerseits dichtend an dem Kugelzapfen 1 angesetzt. Andererseits liegt der Dichtungsbalg 13 mit seinem zweiten Randbereich an dem Gehäuse 2 an. Zur Verbesserung der Dichtwirkung sind darüber hinaus in den jeweiligen Randbereichen des Dichtungsbalges 13 Spannringe 14 und 15 angeordnet. Diese Spannringe fixieren den Dichtungsbalg an den genannten Bauteilen. Zur Vermeidung einer axialen Bewegung des am Kugelzapfen 1 anliegenden Dichtungsbalgrandes in Richtung auf die inneren Gelenkbauteile wird darüber hinaus im Bereich des an dem Kugelzapfen 1 vorhandenen Halses 17 ein Dichtungsbalghaltering 16 vorgesehen. Dieser stützt den Dichtungsbalgrand und fixiert ihn am Kugelzapfen 1.
In der Figur 2 ist eine Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf II-II aus Figur 1 gezeigt. Hieraus lässt sich die Ausführung der Wälzlager 5 entnehmen. Die Darstellung in Figur 2 zeigt eine Ansicht des ersten Gelenkkugelteiles 9.1 im Bereich der darin eingebrachten Wälzlager 5. Hierzu werden in dem Gelenkkugelteil 9.1 Laufbahnen 10 vorgesehen, in die im vorhegenden Ausführungsbeispiel lose Wälzkörper 7 eingelegt sind. Eine korrespondierende Gegenlaufbahn befindet sich in dem in Figur 2 nicht ersichtlichen zweiten Gelenkkugelteil 9.2. Die Gelenkkugel ist insgesamt innerhalb der Lagerschale 11 gelagert, die ihrerseits in das Gehäuse 2 eingesetzt ist. Die einzelnen Bauteile sind in der Darstellung der Figur 2 schematisch vereinfacht gezeigt, um lediglich das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Die innerhalb der Laufbahnen 10 geführten Wälzkörper 7 bilden insgesamt einen Drehkranz innerhalb der Gelenkkugel 9 des Kugelzapfens 1.
Es versteht sich auch, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.
Bezugszeichenliste
1 Kugelzapfen
2 Gehäuse
3 erste sphäroidische Lagerfläche
4 zweite sphäroidische Lagexfläche
5 Wälzlager
6 Rotationsachse der Wälzkörper
7 Wälzkörper
8 Mittenachse
9 Gelenkkugel
9.1 erstes Gelenkkugelteil
9.2 zweites Gelenkkugelteil
10 Laufbahn
11 Lagerschale
12 Haltering
13 Dichtungsbalg
14 Erster Spannring
15 Zweiter Spannring
16 Dichtungsbalghaltering
17 Hals