DE3700057A1 - Kugelgelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1. Ein solches Kugelgelenk be­ steht aus einem Kugelteil und einem Pfannenteil, wobei auf dem Kugelteil eine Elastomerschicht aufgebracht ist.

Kugelelemente sind übliche Maschinenelemente zwischen lastaufnehmenden Teilen, die relativ zueinander beweglich sind. Eines der lastaufnehmenden Elemente wird an einen Stutzen angeschlossen, der an seinem einen Ende eine Kugel aufweist, während das andere Element an das Pfannen- oder Lagerteil angeschlossen ist. Die Kugel am Ende des Kugel­ stutzens wird in einer Kammer aufgenommen, welche das Pfannenteil bildet. Zwischen dem Kugelteil des Kugelstut­ zens und der Pfanne ist eine Lagerung eingefügt, um die zwischen dem Kugelstutzen und dem Pfannenteil auftretenden Kräfte zu übertragen und eine Relativbewegung zwischen Ku­ gelstutzen und Pfannenteil zuzulassen.

Eine solche Lagerung umfaßt Lagerelemente, die in dem Pfannenteil angeordnet sind und Lageroberflächen aufwei­ sen, auf denen der Kugelteil des Kugelstutzens gleitet. Derartige Konstruktionen sind aber empfindlich gegen Feuchtigkeit, Schmutz, Salz und andere Verunreinigungen, durch welche die Lebensdauer des Kugelgelenks vermindert wird. Bei derartigen Kugelgelenken werden oft Dichtungs­ manschetten in Kombination mit einer Fettfüllung verwen­ det, um die Lageroberflächen zu schützen.

Andersartige Lagerungen sind aus den US-PSen 29 79 353, 38 43 272 und 42 35 558 bekannt. Bei diesen Kugelgelenken ist ein elastomeres Lagermaterial zwischen dem Kugelteil des Kugelstutzens und dem Pfannenteil angeordnet. Das Elastomermaterial ist mit dem Kugelteil des Kugelstutzens in Verbund gebracht. Es ist zwischen den Kugelstutzen und das Pfannenteil eingefügt und verbindet diese Elemente elastisch miteinander. Während der Relativbewegung zwi­ schen dem Kugelstutzen und dem Pfannenteil wird das Ela­ stomermaterial elastisch deformiert. Wegen der elastischen Verformung des Elastomermaterials drückt dieses den Kugel­ stutzen und den Pfannenteil in die ursprüngliche Relativ­ stellung zurück, nachdem Kugelstutzen und Pfannenteil durch die einwirkenden Kräfte aus ihrer ursprünglichen Relativstellung heraus bewegt wurden.

Kugelgelenke mit Elastomermaterial zwischen Kugelstutzen und Pfannenteil werfen aber gewisse Probleme auf. Eines der Probleme besteht darin, daß das Elastomermaterial bei der Relativdrehung zwischen Kugelstutzen und Pfannenteil in letzterem gleiten kann. Wenn eine solche Gleitbewegung auftritt, so kehren Kugelstutzen und Pfannenteil nicht in die ursprüngliche Relativstellung zurück. Um eine Gleitverschiebung des Elastomermaterials zu begrenzen, wurde bereits vorgeschlagen, dieses Elastomermaterial mit dem Pfannenteil zu verkleben. Dieser Vorschlag ist der US-PS 38 43 272 entnehmbar. Bei der Herstellung er­ forderliche Klebeschritte sind jedoch relativ kostenauf­ wendig. Ein weiterer Lösungsvorschlag besteht darin, das Elastomermaterial zwischen Kugel und Pfannenteil zusam­ menzudrücken oder vorzubelasten. Hierdurch wird das Ela­ stomermaterial fest gegen die Oberflächen des Pfannenteils geklemmt. Bei Anwendung dieses Vorschlags tritt aber das Problem eines "Drehmomentüberschuß-Hysteresiseffektes" auf. Durch die Deformierung des Elastomerlagers werden nämlich erhebliche Druckbeanspruchungen im Inneren des Materials verursacht. Wenn Kugelstutzen und Pfannenteil gegeneinander verschwenkt werden, wird ein Teil des Ela­ stomermaterials, welches während des Zusammenbaus defor­ miert wurde, entgegengesetzt zu den Druckbeanspruchungen bewegt und kann, je nach der Größe der Bewegung zwischen Kugelstutzen und Pfannenteil, unter Spannung gesetzt wer­ den. Wenn die Kräfte, durch welche die Relativbewegung zwischen Kugelstutzen und Pfannenteil verursacht wurde, nicht mehr einwirken, so kehrt das Elastomermaterial we­ gen der anfangs vorhandenen internen Druckbeanspruchungen nicht in seine Ursprungsstellung zurück, so daß der Ku­ gelstutzen und der Pfannenteil ebenfalls nicht in ihre ur­ sprüngliche Relativstellung zurückkehren.

Bei Kugelgelenken, die mit einem elastomeren Lagermate­ rial versehen sind, umgibt dieses fast vollständig den Kugelteil des Kugelstutzens. Eine solche Ausbildung ist beispielsweise der US-PS 42 35 558 entnehmbar. Wenn das Elastomermaterial den Kugelteil des Kugelstutzens voll­ ständig umgibt, so führt eine relative Schwenkbewegung zwischen Kugelstutzen und Pfannenteil dazu, daß ein großes Volumen des Elastomermaterials verformt wird. In­ folgedessen werden relativ hohe Kräfte benötigt, um eine relative Schwenkbewegung zwischen Kugelstutzen und Pfan­ nenteil hervorzurufen, verglichen mit einem Kugelgelenk, bei dem dasselbe Elastomermaterial den Kugelteil nicht vollständig umgibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelge­ lenk zu schaffen, bei dem Dichtmanschetten oder andere besondere Dichtungsmaßnahmen entfallen können. Ferner wird angestrebt, den oben erwähnten Drehmomentüberschuß- Hysteresiseffekt weitgehend zu vermeiden.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk ist ein Elastomer­ material mit einem ersten Teil des Kugelteils des Kugel­ stutzens in Verbund gebracht. Eine Schicht aus Elastomer­ material ist zwischen Kugelstutzen und Pfannenteil einge­ fügt. Eine Lagerauskleidung aus einem Polymermaterial ist zwischen einem zweiten Teil des Kugelteils des Kugelstut­ zens und dem Pfannenteil eingefügt.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung das Elastomermaterial mit dem Kugelteil des Kugelstutzens in Verbund gebracht, jedoch ist es weder mit dem Pfannenteil in Verbund ge­ bracht, noch ist es zwischen Kugelstutzen und Pfannen­ teil zur Vermeidung einer Gleitbewegung des Elastomer­ materials im Pfannenteil deformiert oder vorbelastet. Vielmehr wird gemäß der Erfindung eine Gleitverschiebung des Elastomermaterials im Pfannenteil durch Teile des Elastomermaterials vermieden, welche in Räume oder Volu­ mina des Pfannenteils hineinragen, um Pfannenteil und Elastomermaterial mechanisch miteinander zu verriegeln. Durch dieses mechanische Ineinandergreifen kann ein auf­ wendiges Verkleben des Elastomermaterials am Pfannenteil vermieden werden, ebenso wie eine nennenswerte Deformie­ rung oder Vorbelastung des Elastomermaterials, wobei je­ doch ebenfalls der "Drehmomentüberschuß-Hysteresiseffekt" vermieden wird.

Das verwendete Elastomermaterial wird gemäß der Erfindung vorzugsweise in Richtung der Lagerauskleidung geringfügig vorbelastet, um einen Verschleißausgleich zwischen Kugel­ teil des Kugelstutzens und der Lagerauskleidung aus Poly­ mermaterial zu bewirken. Ferner ist das Pfannenteil vor­ zugsweise aus Metallblech geprägt, wodurch die Herstel­ lungskosten des Kugelgelenks verglichen mit herkömmlichen Ausführungsformen vermindert werden. Ferner ist das Ku­ gelgelenk mit Fettaufnahmeräumen im Inneren der Lager­ struktur versehen. Diese Fettaufnahmeräume sind durch Schmiernuten in der Lagerauskleidung aus Polymermaterial miteinander verbunden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, aus der nachfolgenden Beschrei­ bung einer Ausführungsform und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht der Ausführungsform des Kugel­ gelenks; und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang Linie 2-2 in Fig. 1.

Die beschriebene Ausführungsform des Kugelgelenks 10 ist vielfältig anwendbar. Insbesondere ist dieses Kugelge­ lenk 10 in einem Gestänge zwischen relativ zueinander beweglichen Elementen verwendbar, beispielsweise an den Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen.

Das Kugelgelenk 10 umfaßt ein Pfannenteil 11 und ein Kugelstutzenteil 12. Das Kugelstutzenteil 12 weist einen Schaftteil 14 und einen Kugelteil 15 auf. Der Schaftteil 14 kann an eines der relativ zueinander beweglichen Ele­ mente angeschlossen werden, beispielsweise ein an einem Fahrzeugrad befestigtes Teil.

Das Pfannenteil 11 weist zwei geprägte Metallblechteile 18 und 20 auf. Das geprägte Metallblechteil 20 weist einen kugelförmigen Teil 22 und eine Öffnung 23 im Boden des kugelförmigen Teils 22 auf. Das Metallblechteil 18 weist einen hochragenden Teil 26 auf, der (in der Zeich­ nung) senkrecht über dem kugelförmigen Teil 22 des Me­ tallblechteils 20 angeordnet ist. Der Teil 26 des Metall­ blechteils 18 und der Teil 22 des Metallblechteils 20 bilden eine Kammer 30, worin der Kugelstutzen 12, insbe­ sondere der Kugelteil 15 desselben, aufgenommen ist. Das Metallblechteil 18 weist eine Öffnung 31 auf, durch wel­ che sich der Schaftteil 14 des Kugelstutzens 12 hindurch erstreckt. Die Metallblechteile 18 und 20 weisen mitein­ ander fluchtende Öffnungen 34, 36 auf, die zur Einführung von Schraubbolzen oder Nieten geeignet sind, durch welche das Pfannenteil am Fahrgestell des Fahrzeugs befestigt wird.

Die Metallblechteile 18 und 20 weisen ferner eine gebör­ delte Randverbindung auf, durch welche sie miteinander verspannt sind. Insbesondere weist das Metallblechteil 20 einander gegenüberliegende Teile 38 und 40 auf, die über einen Flansch 42 des Metallblechteils 18 verstemmt sind, um die Metallblechteile 18 und 20 miteinander zu verspan­ nen.

Die Öffnung 31 ist, wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, von ovaler Gestalt. Die eine Abmessung der Öffnung 31, die in Fig. 1 mit A bezeichnet ist, ist etwas größer als der Durchmesser des Schaftteils 14 des Kugelstutzens. In der Richtung B senkrecht zur Abmessung A ist die Öffnung 31 beträchtlich breiter als der Durchmesser des Schaft­ teils 14. Der Schaftteil 14 kann also eine begrenzte Be­ wegung in Richtung A ausführen, er kann jedoch in der Richtung B eine freie Schwingbewegung über eine beträcht­ lich größere Strecke ausführen. Ferner können Kugelstut­ zen und Pfannenteil relativ zueinander um den Mittelpunkt des Kugelteils 15 des Kugelstutzens 12 verschwenkt werden.

Zwischen dem Kugelstutzen 12 und dem Pfannenteil 11 ist eine Lagerung vorgesehen. Diese Lagerung umfaßt ein ela­ stomeres Lagermaterial 50 und eine Lagerauskleidung 51 aus Polymermaterial. Das elastomere Lagermaterial 50 ist an einem Teil des Kugelteils 15 verklebt bzw. mit diesem in Verbund gebracht. Das Lagermaterial 50 ist insbesondere an einem Teil der Kugel angeklebt, wie in Fig. 2 veran­ schaulicht ist. Das Lagermaterial umgibt den Kugelteil 15. Ferner weist das Lagermaterial 50 einen überstehenden Teil 50 a auf, welcher sich entlang dem Schaftteil 14 des Kugelstutzens 12 erstreckt. Das Elastomermaterial des überstehenden Teils 50 a ist mit dem Schaftteil 14 in Verbund gebracht.

Die genaue Zusammensetzung eines geeigneten elastomeren Lagermaterials ist als solche bekannt und kann beispiels­ weise den obengenannten US-Patentschriften entnommen wer­ den. Unter einem "Elastomer" bzw. "elastomeren Material" wird hier ein Gummi oder gummiähnliches Polymermaterial verstanden. Darunter gehören insbesondere synthetische Gummis, natürlicher Gummi, Neopren, Butylgummi usw..

Das elastomere Lagermaterial 50 ist mechanisch mit dem Pfannenteil 11 verbunden, um seine Gleitverschiebung re­ lativ zum Pfannenteil 11 zu verhindern. Die Kammer 30 ist unterteilt in einen mittleren Raum 30 a und vier weitere Räume, die mit 60, 62, 64 und 66 bezeichnet sind. Der mittlere Raum 30 a ist im Querschnitt kreisrund, während die Räume 60, 62, 64 und 66 radial vom mittleren Raum 30 a ausgehen. Ferner sind die Räume 60, 62, 64 und 66 in Um­ fangsrichtung um den Kugelteil 15 und den mittleren Raum 30 a herum beabstandet. Das elastomere Lagermaterial 50 ist sowohl in den Räumen 60, 62, 64, 66 als auch im Raum 30 a aufgenommen. Da es sich in diesen Räumen 60, 62, 64 und 66 befindet, ist es relativ zum Pfannenteil 11 unverdrehbar. Insbesondere ist das Lagermaterial 50 form­ schlüssig mit dem Pfannenteil 11 verbunden, um so eine Drehbewegung oder Gleitbewegung relativ zu diesem Pfan­ nenteil zu vermeiden. Eine Verklebung des Elastomerma­ terials am Pfannenteil kann daher entfallen. Es ist auch keine größere Deformierung oder Vorbelastung des Lager­ materials 50 gegen die Oberflächen des Pfannenteils 11 erforderlich.

Die Lagerauskleidung 51 aus Polymermaterial ist ein scha­ lenförmiges Lagerteil, welches sich in dem kugelförmigen Teil 22 des Pfannenteils 11 befindet. Die Lagerausklei­ dung 51 weist einen Führungsteil 70 auf, der in der Öffnung 23 des Metallblechteils 20 aufgenommen ist. Auf diese Weise wird die Lagerauskleidung 51 in die richtige Stellung gebracht, während gleichzeitig ihre Bewegung im Pfannenteil 11 verhindert wird. Die Form des Führungs­ teils 70 ist derart gewählt, daß der erforderliche Wider­ stand auftritt, damit die Lagerauskleidung während der Schwenk- und Drehbewegung des Kugelteils in Stellung ge­ halten wird. Die genaue Form dieses Führungsteils 70 hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Die Lager­ auskleidung 51 kann auch mit abstehenden Teilen versehen werden, die in Ausnehmungen des Metallblechteils 22 des Pfannenteils aufgenommen werden und sich einer Drehbewe­ gung der Lagerauskleidung relativ zum Pfannenteil wider­ setzen.

Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Lagerausklei­ dung 51 einen Oberflächenteil auf, welcher der Innenober­ fläche des Metallblechteils 22 entspricht und an dieser Innenoberfläche in Anlage ist. Ferner weist die Lageraus­ kleidung 51 einen Oberflächenteil auf, an dem der Kugel­ teil 15 des Kugelstutzens 12 in Anlage ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung des Kugelgelenks gleitet der Kugel­ teil 15 auf der Innenoberfläche der Lagerauskleidung 51.

Da bei dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk das elastomere Lagermaterial 50 den Kugelteil 15 nicht vollständig um­ gibt, werden geringere Kräfte benötigt, um eine Schwenk­ bewegung des Kugelstutzens 12 relativ zum Pfannenteil 11 hervorzurufen, im Vergleich zu Kugelgelenken, bei denen das gleiche Elastomermaterial verwendet wird, welches aber den Kugelteil vollständig umgibt. Da ferner der Ku­ gelteil 15 direkt an der Lagerauskleidung 51 anliegt, werden senkrechte Kräfte zwischen Pfannenteil 11 und Kugelstutzen 12 direkt auf das Pfannenteil 11 übertragen, und nicht über das elastomere Lagermaterial, was der Fall wäre, wenn das Lagermaterial den Kugelstutzen vollständig umgeben würde. Durch Verwendung der Lagerauskleidung 51 können also Lasten aufgenommen werden, die bei Lagerkon­ struktionen mit nur elastomerem Material nicht möglich wären.

Das Kugelgelenk 10 ist ferner mit Fettaufnahmeräumen 72 und 74 versehen. Der Fettaufnahmeraum 72 befindet sich zwischen dem Führungsteil 70 der Lagerauskleidung 51 aus Plastikmaterial und dem Kugelteil 15 des Kugelstutzens 12. Der Fettaufnahmeraum 74 ist eine ringförmige Kammer, wel­ che sich um den Kugelstutzen 12 in der Nähe des Äquators des Kugelteils 15 herum erstreckt. Der Fettaufnahmeraum 74 befindet sich insbesondere zwischen dem oberen Rand 80 der Lagerauskleidung 51 und dem unteren Rand 82 des elastome­ ren Lagermaterials 50. Mehrere Schmiernuten 84, von denen in der Zeichnung nur eine gezeigt ist, sind an der Innen­ oberfläche der Lagerauskleidung 51 gebildet. Diese Schmiernuten ermöglichen eine Schmiermittelströmung zwi­ schen den Aufnahmeräumen 72 und 74 sowie zwischen der Lagerauskleidung 51 und dem Kugelteil 15 des Kugelstut­ zens 12. Die Bewegung des Elastomermaterials während der Bewegung des Kugelstutzens relativ zum Pfannenteil verur­ sacht eine örtliche Verminderung der Größe der Fettauf­ nahmeräume, wodurch das Fett durch die Schmiernuten in der Lagerauskleidung 51 gedrückt wird. Auf diese Weise wird eine fortwährende Bewegung des Fettes hervorgerufen, wodurch die zueinander passenden Lageroberflächen mit "frischem" Fett aus den Fettaufnahmeräumen geschmiert werden.

Das erfindungsgemäße Kugelgelenk wird vorzugsweise zusam­ mengebaut, indem zunächst das elastomere Lagermaterial 50 mit dem Kugelstutzen 12 in Verbund gebracht wird. Die La­ gerauskleidung 51 wird dann in dem Metallblechteil 22 des Pfannenteils 20 angeordnet. Dann wird Fett in die Fettaufnahmeräume 70, 72 eingebracht. Das Metallblech­ teil 18 des Pfannenteils wird gegen die übrigen Teile gehalten, während der Kugelstutzen 12 in der Kammer 30 angeordnet wird. Die Metallblechteile 18, 20 werden dann gegeneinandergepreßt, woraufhin die Teile 38, 40 gegen den Flansch 42 verstemmt werden, um die Metallblechteile 18, 20 miteinander zu vereinigen. Während dieser Vereini­ gung der Metallblechteile 18 und 20 wird das elastomere Lagermaterial 50 in die Räume 60, 62, 64 und 66 verlagert. Hierdurch wird eine gewisse Vorbelastung des elastomeren Lagermaterials hervorgerufen, wodurch die formschlüssige Verbindung zwischen dem elastomeren Lagermaterial 50 und dem Pfannenteil 11 bewirkt wird.

Claims (5)

1. Kugelgelenk zur Verwendung zwischen lastaufnehmenden Elementen, die relativ zueinander verschwenkbar sind, mit einem Kugelstutzen zum Anschließen an eines der Elemente und einem Pfannenteil zum Anschließen an das andere Element, wobei der Kugelstutzen einen Kugelteil und einen Schaftteil aufweist, der sich von dem Kugelteil fort erstreckt, und wobei das Pfannenteil eine Kammer aufweist, worin der Ku­ gelteil aufgenommen ist, sowie mit einer Öffnung versehen ist, durch welche sich der Schaftteil hindurcherstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Lageraus­ kleidung (51) aus Polymermaterial zwischen einem ersten Teil des Kugelteils (15) und dem Pfannenteil (11) eingefügt ist, um Kräfte zu übertragen und eine Gleitbewegung dazwi­ schen zu ermöglichen, daß mit einem zweiten Teil des Kugel­ teils (15) eine Schicht aus einem elastomeren Lagermaterial (50) in Verbund gebracht ist, durch welches der Kugelstut­ zen (12) und das Pfannenteil (11) elastisch miteinander verbunden sind sowie der Kugelstutzen und das Pfannenteil in eine anfängliche Relativstellung gedrückt werden, und daß die Schicht aus elastomerem Lagermaterial (50) Teile aufweist, die in am Pfannenteil (11) gebildete Räume (60, 62, 64, 66) hineinragen, um eine formschlüssige Verbin­ dung zwischen dem elastomeren Lagermaterial (50) und dem Pfannenteil (11) herzustellen, so daß eine Gleitverschie­ bung des elastomeren Lagermaterials relativ zu dem Pfan­ nenteil vermieden wird.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen mittleren Teil aufweist, der im Querschnitt kreisrund ist, und daß die Räume, in welche das elastomere Lagermaterial hineinragt, radial auswärts von dem mittleren Teil der Kammer liegen und in Umfangs­ richtung um das Pfannenteil herum beabstandet sind.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen Fettaufnahmeraum zwischen der Lagerauskleidung und dem elastomeren Lagermaterial, wo­ bei die Lagerauskleidung mit wenigstens einer Schmiernut in ihrer schalenförmigen Oberfläche versehen ist, welche mit dem Fettaufnahmeraum in Verbindung steht.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fettaufnahmeraum eine ringförmige Kammer aufweist, welche den Kugelteil in der Nähe seines Äquators umgibt, und daß ein zweiter Fettaufnahmeraum zwischen dem Kugel­ teil und der Lagerauskleidung angeordnet ist und eben­ falls mit der Schmiernut in Verbindung steht.

5. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Pfannenteil aus zwei Me­ tallblech-Gehäuseteilen gebildet ist, die durch Verstem­ men miteinander verbunden sind.