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Die
Erfindung betrifft eine Kugelverbindung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Eine
derartige Kugelverbindung ist aus der
US
3,350,122 bekannt geworden. Letztere besitzt einen Schlitz
10,
der vorgesehen ist, um eine Radialbewegung eines Kugelendes
5 zu
gestatten, ohne daß eine übermäßige Belastung
auf das elastische Lager erforderlich wird, während die Schlitze
11 und
12 vorgesehen
werden, um eine Axialbewegung des Kugelendes
5 zu gestatten.
Da die Schlitze
10,
11 und
12 also vorgesehen
werden, um radiale bzw. axiale Bewegungen des Kugelendes zu ermöglichen,
stehen beide Endflächen
der Lagerbox
6 nicht mit der Verriegelungskappe
3 und
dem vorspringenden Rand
1b in Kontakt, wenn die Belastung
ausgeübt
wird, so daß die
Belastungstoleranz nicht verbessert wird.
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Derartige
Kugelverbindungen dienen als Steuer- oder Aufhängmechanismen in Kraftfahrzeugen
und insbesondere werden derartige Kugelverbindungen an dem Zahnstangenende
der Zugstange eines Zahnstangengetriebes eingesetzt.
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In 9 ist eine bekannte Kugelverbindung dargestellt,
die aus einem Gehäuse 1 mit
einer inneren Kammer 2 besteht, in der ein Lagersitz 4 aus
einem harten Kunststoff mit einem Boden 3 angeordnet ist.
Ein Kugelkopf 6 eines Kugelstiels 5 ist gleitbar
in dem Lagersitz 4 angeordnet. Ein vorstehender Stielabschnitt 7,
der mit dem Kugelkopf 6 aus einem Stück besteht, verläuft durch
eine Öffnung 8 in
der inneren Kammer 2. Ein Verschluß 9 ist in der Öffnung 8 befestigt
und hält
den Lagersitz 4 und den Kugelkopf 6 des Kugelstiels
in der inneren Kammer 2 des Gehäuses 1.
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Bei
einer derartigen bekannten Kugelverbindung tritt das Problem auf,
daß es
schwierig ist, Abmessungstoleranzen an den Teilen, d.h. an dem Gehäuse 1,
dem Lagersitz 4, dem Kugelstiel 5 und dem Verschluß 9,
auszugleichen. Hieraus folgt, daß es schwierig ist, die Charakteristiken
einer Kugelverbindung zu stabilisieren, wenn sie mit einer Zugstange oder
anderen mechanischen Teilen zusammengebaut wird. Die Schwierigkeit
des Ausgleichs der Toleranzen führt
zu der Gefahr, daß an
dem Lagersitz 4 vermehrt Verschleiß auftritt, wodurch ein Rattern
auftritt, das durch die Verschiebung oder den Versatz des Lagersitzes 4,
bedingt durch die Belastung, hervorgerufen wird.
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Bei
dem Gegenstand des japanischen Gebrauchsmusters Nr. 7848/1989 ist
es bereits versucht worden, dieses Problem zu berücksichtigen.
In 10 ist eine Kugelverbindung
nach diesem Stand der Technik dargestellt. Diese weist ein elastisches Teil 14 aus
Kunststoff auf, das an dem Boden 13 einer inneren Kammer 12 des
Gehäuses 11 befestigt ist.
Ein Lagersitz 15 aus hartem Kunststoff ist in der inneren
Kammer 12 angeordnet. Ein Kugelkopf 17 eines Kugelstieles 16 ist
gleitbar an dem Lagersitz 15 aufgenommen. Ein Stielabschnitt 18,
der mit dem Kugelkopf 17 aus einem Stück besteht, verläuft durch eine Öffnung 19 der
inneren Kammer 12. Die Öffnung 19 des
Gehäuses 11 ist
verformt oder umgebördelt, um
den Kugelkopf 17 an dem gewünschten Platz zu halten, wodurch
dieser daran gehindert wird, aus der inneren Kammer 12 des
Gehäuses 11 herauszurutschen.
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Bei
der in 10 dargestellten
Kugelverbindung kann das elastische Teil 14 Abmessungstoleranzen
in den Teilen, wie dem Gehäuse 11,
dem Lagersitz 15 und dem Kugelstiel 16 ausgleichen,
wodurch das Arbeitsdrehmoment stabilisiert wird. Wenn eine Last,
insbesondere eine Druckkraft, auf den Kugelstiel 16 übertragen
wird, dann wird diese Last auf das elastische Teil 14 durch
den Lagersitz 15 übertragen.
Wenn diese Last groß ist,
führt sie
zu einer Verschiebung oder einem Versatz des Teiles 14,
wodurch die Lebensdauer dieses Teiles vermindert wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kugelverbindung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen
Schwierigkeiten beseitigt, und insbesondere die Belastungstoleranz
und Haltbarkeit verbessert.
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Insbesondere
soll die Kugelverbindung Abmessungstoleranzen an den Teilen wie
dem Gehäuse,
dem Lagersitz und dem Kugelstiel, ausgleichen und dadurch ein stabiles
Arbeitsdrehmoment beim Zusammenbau sicherstellen. Gleichzeitig sollen
die Belastungstoleranzen zunehmen, die Lebensdauer erhöht werden
und die Stabilität
im Betrieb verbessert werden.
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Zusammengefaßt schafft
die Erfindung eine Kugelverbindung, die einen Abschnitt des Lagersitzes
aus hartem Kunststoff derart federnd anordnet, daß eine Bewegung über eine
kurze Entfernung von einem lastaufnehmenden Abschnitt des Gehäuses möglich ist.
Eine Druckkraft ist in der Lage, den Lagersitz und den lastaufnehmenden
Abschnitt in Berührung
miteinander zu drücken,
um die durch das nachgiebige Teil aufzunehmende Last zu begrenzen. Hierdurch
wird sichergestellt, daß das
nachgiebige Teil nur eine angemessene Belastung aufnimmt, um Herstellungstoleranzen
in den Teilen auszugleichen, ohne daß es für das nachgiebige Teil erforderlich
ist, große
Druckkräfte
aufzunehmen.
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Die
Kugelverbindung nach der Erfindung besteht aus einem Gehäuse, einer
inneren Kammer in dem Gehäuse,
mit einem Boden an einem ersten Ende und einer Öffnung an dem zweiten Ende,
einem Kugelstiel mit einem Kugelkopf, die miteinander verbunden
sind, einem Lagersitz in der Kammer, der einen wesentlichen Abschnitt
des Kugelkopfes aufnimmt und diesen gleitbar festhält, wobei
der Stielabschnitt durch die Öffnung
verläuft.
Ein lastaufnehmender Abschnitt des Lagersitzes liegt dem Roden gegenüber. Ein
elastisches Teil ist zwischen dem Lagersitz und einer inneren Oberfläche des
Gehäuses angeordnet.
Das elastische Teil wird wirksam, um den Lagersitz federnd zusammenzudrücken und zwar
derart, daß der
lastaufnehmende Abschnitt aus der Berührung mit dem Boden herausgedrückt wird, und
eine Lagervorlast auf den Kugelkopf übertragen wird, wobei das elastische
Teil bei Druckbelastung sicherstellt, daß der lastaufnehmende Abschnitt
in Berührung
mit dem Boden gelangt, wodurch die Druckkraft auf den Boden übertragen
wird.
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In
vorteilhafter Weise ist die Kugelverbindung nach der Erfindung so
ausgestaltet, daß ein
Gehäuse,
eine im wesentlichen zylindrische innere Kammer in dem Gehäuse, ein
Lagersitz in der inneren Kammer, ein Kugelstiel mit einem Kugelkopf
und einem Stielabschnitt vorgesehen ist, wobei der Lagersitz einen
wesentlichen Teil des Kugelkopfes umgibt. Ein elastisches Teil ist
zwischen dem Boden der inneren Kammer und dem Lagersitz angeordnet,
und es überträgt eine
federnd wirkende Druckkraft auf den Lagersitz, wodurch eine Lagervorspannung
oder Voreinstellung hinsichtlich des Kugelkopfes erfolgt. Mittel
zur Positionierung eines Abschnittes des Lagersitzes in einem vorher
bestimmten Abstand von der lastaufnehmenden Fläche des Gehäuses erlauben, daß das elastische
Teil durch Kräfte,
die auf den Kugelstiel übertragen
werden, zusammengedrückt wird,
und zwar ausreichend, damit der Abschnitt des Lagersitzes mit der
lastaufnehmenden Fläche
in Berührung
gelangt, wodurch das Zusammendrücken des
elastischen Teils auf ein vorherbestimmtes Maß unabhängig von der weiteren Zunahme
der Kräfte begrenzt
wird.
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Die
Kugelverbindung nach der Erfindung besteht in vorteilhafter Weise
aus einem Gehäuse
mit einer inneren Kammer, die eine Öffnung an einem Ende und einem
Boden an dem anderen Ende aufweist. Ein Kugelstiel mit einem Kopf
ist in der inneren Kammer des Gehäuses angeordnet, und der Kugelstiel,
der einstückig
mit dem Kugelkopf ausgebildet ist, verläuft durch die Öffnung der
inneren Kammer. Ein Lagersitz, der in der inneren Kammer des Gehäuses zusammen
mit dem Kugelkopf des Kugelstiels angeordnet ist, weist eine lastaufnehmende
Fläche auf,
die dem Boden der inneren Kammer des Gehäuses gegenüberliegt. Der Lagersitz umfängt den
Kugelkopf des Kugelstiels derart, daß der Kugelkopf in diesem gleiten
kann. Ein elastisches Teil, das zwischen dem Lagersitz und der inneren
Fläche
des Gehäuses
angeordnet wird, hält
einen Abstand zwischen einem lastaufnehmenden Abschnitt des Lagersitzes
und dem Boden der inneren Kammer des Gehäuses auf und überträgt so eine
Vorlast oder Vorspannung auf den Kugelstiel.
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Die
Kugelverbindung nach der Erfindung gleicht Abmessungstoleranzen
der Teile wie dem Gehäuse,
dem Kugelstiel und dem Lagersitz, durch eine Vorspannung oder Vorbelastung
eines elastischen Teils aus, um für ein stabiles Arbeitsdrehmoment
zu sorgen, wenn der Zusammenbau erfolgt ist. Weiterhin gelangt,
wenn der Kugelstiel eine Last aufnimmt, insbesondere eine Drucklast,
die lastaufnehmende Fläche
des Lagersitzes mit dem Boden der inneren Kammer des Gehäuses zur
Anlage, wodurch der Lagersitz die Last aufnimmt, so daß eine Verschiebung oder
ein Versatz des elastischen Teils vermieden wird, wenn die Belastung
groß ist.
Hieraus folgt, daß die
Kugelverbindung nach der Erfindung nicht dazu neigt, zu rattern,
und daß sie
große
Belastungen aufnimmt und dabei gleichzeitig konstante Betriebszustände aufweist.
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Im
folgenden wird die Erfindung mit Hinweis auf die Zeichnung anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform einer Kugelverbindung
nach der Erfindung im vergrößerten Maßstab;
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2 einen
senkrechten Schnitt durch die Kugelverbindung der 1;
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3 einen
senkrechten Schnitt durch das Gehäuse der Kugelverbindung der 1 vor
dem Zusammenbau;
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4 einen
senkrechten Schnitt durch den Lagersitz der Kugelverbindung der 1 vor
dem Zusammenbau;
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5 einen
senkrechten Querschnitt durch das elastische Teil der Kugelverbindung
der 1 vor dem Zusammenbau;
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6 ein
charakteristisches Diagramm von Kugelverbindungen;
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7 einen
senkrechten Schnitt durch ein Teil einer Kugelverbindung einer anderen
Ausführungsform
der Erfindung im vergrößerten Maßstab;
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8 einen
senkrechten Schnitt durch ein Teil einer Kugelverbindung einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung im vergrößerten Maßstab;
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9 einen
senkrechten Schnitt durch ein Teil einer Kugelverbindung nach dem
Stand der Technik; und
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10 einen
senkrechten Schnitt durch ein Teil einer anderen Kugelverbindung
nach dem Stand der Technik.
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Die
in den 1 bis 5 dargestellte Ausführungsform
weist ein zylindrisches Gehäuse 21 aus
Metallguß auf,
das in 3 vor dem Zusammenbau dargestellt
ist, und eine innere Kammer 24 mit einer Öffnung 22 an
dem einen Ende und einem Boden 23 an dem anderen Ende aufweist.
Die Oberfläche des
Gehäuses 21 am
Boden 23 der inneren Kammer 24 ist gewölbt oder
abgerundet bei 25 ausgebildet. Ein Teil des Gehäuses 21 von
der abgerundeten Oberfläche
zu dem mittleren Bodenabschnitt 23, ist bei 26 konisch
ausgebildet.
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Ein
Kugelstiel 31 (1 und 2) besteht aus
einem Kugelkopf 32 und einem Stielabschnitt 34, die über einen
Abschnitt 33 geringeren Durchmessers miteinander verbunden
sind. Ein Gewindeabschnitt 35 ist an dem Ende des Stielabschnittes 34 ausgebildet.
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Ein
Lagersitz (4) ist aus Polyacetal oder einem
anderen harten Kunststoff hergestellt, der über gute Lagereigenschaften
und Belastungstoleranzen verfügt.
Wie in 4 dargestellt, weist der Lagersitz 41 vor
dem Einbau in die Lagerverbindung eine Öffnung 42 an dem einen
Ende und einen im wesentlichen zylindrischen Körper 43 mit einem
Boden auf, der zur Aufnahme des Kugelkopfes 32 des Kugelstieles
ausgebildet ist. Eine ringförmige
Aufnahmefläche 44 ist
außen
an dem Boden des Lagersitzes 41 ausgebildet.
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Ein
domförmiger,
vorstehender Abschnitt 46 mit einer inneren Oberfläche 45,
die eine Kugelform aufweist, schließt den Boden des Lagersitzes 41. Eine
Vielzahl von Nuten 47, die von der Aufnahmefläche 44 zu
der Mitte des vorstehenden Abschnittes 46 verlaufen, bilden
zungenförmige
Abschnitte 48. Jeder zungenförmige Abschnitt 48 ist
mit einem Kamm oder First 49 mit einem trapezförmigen Querschnitt versehen.
Jeder zugenförmige
Abschnitt 48 des Lagersitzes 41 weist außerdem eine
lastaufnehmende Fläche 50 in
Form eines Ringes auf, der der konisch geformten Fläche 26 am
Boden 23 des Gehäuses 21 mit
einem geringen Abstand h (1) gegenüberliegt.
Eine Öffnung 51 ist
in der Mitte jeder lastaufnehmenden Fläche 50 vorgesehen.
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In 5 ist
ein elastisches Teil 55 aus Polyurethan, Polyester oder
einem anderen Kunststoff oder aus Gummi dargestellt, das einen Ring
bildet, und eine äußere Anlagefläche 56 zur
Anlage an der gewölbten
oder abgerundeten Fläche 25 des
Bodens 23 (1, 2, 3)
der inneren Kammer (24) des Gehäuses 21 aufweist.
Eine Aufnahmekante 57 an einem Ende der inneren Oberfläche des
elastischen Teiles, berührt
den Aufnahmeabschnitt 44 des Lagersitzes 41. Eine
innere Oberfläche
des elastischen Teils weist einen im wesentlichen konisch ausgebildeten
Aufnahmeabschnitt 58 auf, an den die Kämme oder Firste 49 des
Lagersitzes 41 zur Anlage gelangen. Eine Öffnung 59 in
der Mitte des elastischen Teils 55 stellt sicher, daß die lastaufnehmende Fläche 50 des
Lagersitzes 41 dem Boden 23 des Gehäuses 21 gegenüberliegt.
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Im
folgenden wird die Wirkungsweise dieser Ausführungsform nach der Erfindung
beschrieben:
Zuerst wird das elastische Teil 55 in
die Öffnung 22 eingeschoben
und so in dem Gehäuse 21 angeordnet,
daß die
Anlagefläche 56 des
elastischen Teils 55 an der abgerundeten Oberfläche 25 des
Bodens 23 des Gehäuses 21 zur
Anlage gelangt. Dann wird der Kugelkopf 32 des Kugelstieles 31 in
die Öffnung 42 an
dem Ende des Lagersitzes 41 in den Abschnitt 43 eingeschoben.
Der Stielabschnitt 34 des Kugelstieles paßt in das
Gehäuse 21 durch
die Öffnung 22.
Der Lagersitz 41 enthält
nun den Kugelkopf 32 des Kugelstieles, und er wird durch
die Öffnung 22 des
Gehäuses 21 in
die innere Kammer 24 eingeschoben. Die Aufnahmekanten 57 gelangen
an der Aufnahmefläche 44 des
Lagersitzes 41 zur Anlage, wobei die Kämme oder Firste 49 an
der Aufnahmefläche 58 anliegen.
Die lastaufnehmende Fläche 50 des
Lagersitzes 41 paßt
in die Öffnung 59 des
elastischen Teiles 55, um dem konischen Abschnitt 26 des
Bodens 23 des Gehäuses 21 mit
dem geringen Abstand h gegenüberzuliegen.
Durch den Zusammenbau in der vorstehend beschriebenen Weise wird
die Kante der Öffnung 22 des
Gehäuses 21 verformt
oder gerollt, um die Elemente in der gezeigten Lage zu halten, und
dadurch den Zusammenbau der Kugelverbindung zu vervollständigen.
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Wenn
die Kugelverbindung in der vorstehend beschriebenen Weise zusammengebaut
wurde, berühren
die Kämme
oder Firste 49 des Lagersitzes 41 die Aufnahmefläche 58 des
elastischen Teils 55. Ein geeignetes Maß an Elastizität des elastischen
Teiles 55 nimmt Abmessungstoleranzen der übrigen Teile
in dem Gehäuse 21,
dem Kugelstiel 31 und dem Lagersitz 41 auf. Eine
Vorspannung wird auf den Kugelkopf 32 des Kugelstieles 31 durch
die entsprechenden Zungenabschnitte 48 durch die Reaktionskräfte des elastischen
Teiles 55 übertragen,
wodurch ein Gleitwiderstand im Betrieb ein stabiles Arbeitsdrehmoment
an dem Kugelstiel 31 sicherstellt.
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Wenn
eine Druckbelastung auf den Kugelstiel 31 übertragen
wird, wird das elastische Teil 45 zusammengedrückt, so
daß die
lastaufnehmende Fläche 50 des
Lagersitzes 41 in Richtung des Abstandes h bis zur Anlage
mit dem Boden 23 der inneren Kammer 24 abgelenkt
wird, wodurch die übertragene
Last auf den Lagersitz 41 übertragen wird. Bedingt durch
diese Lastübertragung,
ist die Kugelverbindung nach der Erfindung dazu geeignet, große Druckbelastungen
aufzunehmen, ohne daß eine dauerhafte
Verschiebung oder Versetzung in dem elastischen Teil 55 induziert
wird. Aus diesem Grunde weist die Kugelverbindung nach der Erfindung
sehr gute Belastungstoleranzen auf, und sie sorgt für stabile
Verhältnisse,
da die Gefahr eines Versetzens oder Verschiebens des elastischen
Teils 55 und ein entsprechendes Rattern sogar bei starker
Belastung vermieden wird.
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In 6 ist
eine Belastungstoleranz für
eine Kugelverbindung nach der Erfindung durch die Kurve a veranschaulicht
und zwar im Vergleich zu einer Kurve b bei einer Kugelverbindung
nach dem Stand der Technik. In Zahlen ausgedrückt, der Anfangswert der Kurve
a überschreitet
den entsprechenden Wert der Kurve b um ungefähr 300 kg. Es ist erkennbar, daß eine Kugelverbindung
nach der Erfindung außerordentlich
gute Belastungstoleranzen im Vergleich zu herkömmlichen Kugelverbindungen
aufweist.
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In 7 ist
eine weitere Ausführungsform
einer Kugelverbindung nach der Erfindung dargestellt, die grundsätzlich so
aufgebaut ist, wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform
mit der Ausnahme, daß eine
abgeschrägte,
lastaufnehmende Fläche 60 am
Boden des Lagersitzes 41 um die ringförmige Aufnahmefläche 44 herum
vorgesehen ist. Weiterhin ist ein entsprechend abgeschrägter oder
kegelförmiger
Boden 61 um die abgerundete Oberfläche 25 des Bodens 23 des
Gehäuses 21 herum
vorgesehen. Die abgeschrägte
oder kegelförmige
Fläche 60 und
der abgeschrägte
oder kegelförmige
Boden 61 liegen einander gegenüber und weisen einen geringen
Abstand h zwischen sich auf.
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Im
Betrieb wird, wenn eine Druckkraft auf den Kugelstiel 31 übertragen
wird, das elastische Teil 55 zusammengedrückt, um
die lastaufnehmende Fläche 50 und
die abgeschrägte
Fläche 60 des
Lagersitzes mit dem Boden 23 der inneren Kammer 24 des
Gehäuses 21 bzw.
dem abgeschrägten
Boden 61 des Gehäuses 21 in
Berührung
zu bringen. Der Lagersitz 41 nimmt auf diese Weise die
Last an zwei Stellen auf.
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In 8 ist
eine weitere Ausführungsform
einer Kugelverbindung nach der Erfindung dargestellt, bei der eine
abgeschrägte
oder kegelförmige,
lastaufnehmende Fläche 60 vorgesehen
ist, die außerhalb
der ringförmigen
Aufnahme fläche 44 um
den Boden des Lagersitzes 41 herum ausgebildet ist. Ein abgeschrägter oder
kegelförmiger
Boden 61 ist um die abgerundete Fläche 25 des Bodens 23 des
Gehäuses
in der Art angeordnet, daß der
abgeschrägte Boden 61 der
abgeschrägten,
lastaufnehmenden Fläche 60 des
Lagersitzes 41 mit einem geringen Abstand h gegenüberliegt.
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Im
Betrieb, wenn eine Druckkraft auf den Kugelstiel 31 übertragen
wird, wird das elastische Teil 55 zusammengedrückt, bis
die abgeschrägte,
lastaufnehmende Fläche 60 des
Lagersitzes 41 gegen die abgeschrägte Fläche 61 des Gehäuses 21 gedrückt wird,
d.h. mit dieser zur Anlage gelangt. Hierdurch werden die Druckkräfte auf
den Lagersitz 41 an einer Stelle übertragen.
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Durch
die Erfindung ist es möglich,
Abmessungstoleranzen in den Teilen des Gehäuses, des Kugelstieles und
des Lagersitzes einer Kugelverbindung durch ein elastisches Teil
auszugleichen und, da eine Vorspannung durch das elastische Teil übertragen
wird, ist es möglich,
ein stabiles Arbeitsdrehmoment nach dem Einbau einer Kugelverbindung
zu erzielen. Weiterhin wird, nachdem eine Druckkraft auf einen Kugelstiel übertragen
wurde, eine lastaufnehmende Fläche
des Lagersitzes gegen den Boden der inneren Kammer des Gehäuses gedrückt, d.h. mit
dem Boden zur Anlage gebracht, so daß der Lagersitz die Last aufnimmt,
wodurch die Belastung, die sonst auf das elastische Teil übertragen
werden würde,
vermindert wird. Als Ergebnis hiervon tritt selbst bei längerer Übertragung
einer Druckkraft keine Versetzung oder Verschiebung des elastischen
Teils auf, noch ist ein Rattern zu bemerken, so daß zusammenfassend
die Belastungstoleranzen und die Arbeitsstabilität der Kugelverbindung verbessert
wird. Schließlich
ermöglicht
die Erfindung eine Reduzierung der Größe einer Kugelverbindung, wodurch
Gewicht und schließlich
Produktionskosten herabgesetzt werden.