WO2005066510A1

WO2005066510A1 - Kugelgelenk

Info

Publication number: WO2005066510A1
Application number: PCT/EP2004/013563
Authority: WO
Inventors: Karl-Heinz Röss; Peter Tattermusch
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-07-21
Also published as: DE10361289A1; DE10361289B4

Abstract

Das erfindungsgemässe Kugelgelenk (21) zur Aufnahme eines Kugelzapfens (27) weist eine Schale mit mindestens zwei Segmenten (23, 24, 25, 26) auf, wobei eines der Segmente (23, 24, 25, 26) aus einem ersten Werkstoff und ein weiteres der mindestens zwei Segmente (23, 24, 25, 26) aus einem zweiten Werkstoff gefertigt ist. Demnach ist die Schale des Kugelgelenks (21) insgesamt aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen ausgebildet. Hierbei können unterschiedliche Werkstoffkombinationen zur Anwendung kommen.

Description

Kugelgelenk

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk zur Aufnahme eines Kugelzapfens .

Derartige Kugelgelenke kommen sowohl bei industriellen als auch bei fahrzeugtechnischen Anwendungen zum Einsatz, wobei das Kugelgelenk an einem ersten Maschinen- oder Fahrzeugteil befestigt ist. Ausgehend von einem in dem Kugelgelenk aufgenommenen Kugelzapfen erstreckt sich in der Regel ein stangenförmiges Übertragungsteil , das an einem zweiten Maschinen- oder Fahrzeugteil befestigt ist. Über das Kugelgelenk mit der Gelenkanordnung und dem darin aufgenommenen Kugelzapfen ist zwischen den beiden Maschinen- oder Fahrzeugteilen eine Übertragung von Bewegungen und Kräften möglich.

Bekannte Kugelgelenke weisen eine oder mehrere Tragschalen auf, die aus Kunststoffspritzguss gefertigt sind. Dabei können Tragschalen verschiedenartig aufgebaut sein. Sie sind bspw. geteilt oder als Schnappschalen ausgebildet und werden üblicherweise mit dem Kugelzapfen bei einer Herstellung formschlüssig in ein Gehäuse eingewalzt. Nach erfolgtem Einwalzen wird ein Schmierstoff zugefügt. Das Kugelgelenk wird üblicherweise mit einer Gummi- oder Kunststoffmanschette abgedichtet .

Bei einem Betrieb des Kugelgelenks sind funktionelle Aspekte wie Spielfreiheit, Reibmoment, Verschleiß und/oder maximale Belastung von Bedeutung. Je nach Einsatzgebiet oder Art einer Übertragung von Kräften oder Vermittlung von Bewegungen ist erforderlich, dass das Kugelgelenk derart ausgebildet ist, dass zumindest einer der vorgenannten Aspekte oder optional eine Kombination mehrerer dieser Aspekte, die untereinander gewichtet sein können, berücksichtigt wird.

Bei Kugelgelenken mit deutlichen Vorlasten wird eine Auslegung der Anforderungen dahingehend vereinfacht, dass ein mäßiges Spiel während des Betriebs nicht auffällt. Bei Kugelgelenken ohne deutliche Vorlasten hingegen führt ein Spiel sehr rasch zu Auffälligkeiten im Betrieb. Dies macht sich bspw. durch Klopfgeräusche bemerkbar. Das Kugelgelenk muss dann ausgetauscht werden. In diesem Fall ist die Spielfreiheit des Kugelgelenks nur so lange gewährleistet, wie ein Verschleiß der Tragschale durch eine Vorspannung oder einen Druck, der durch die materielle Zusammensetzung der Tragschale bedingt ist, kompensiert wird. Hier kann sich ergeben, dass bei Erreichen eines kritischen Spiels das Kugelgelenk auffällig wird und ausgetauscht werden muss.

Eine höhere Vorspannung und dementsprechend ein höherer Druck innerhalb der Tragschale führt zu höheren Normalkräften und damit zu vergrößerten Reibmomenten. Deshalb weisen insbesondere unbelastete Kugelgelenke mit niedrigem Reibmoment eine verkürzte Lebensdauer auf .

Aufgabe der Erfindung ist es, Kugelgelenke derart auszubilden, dass diese mindestens einen funktioneilen Aspekt oder eine Kombination verschiedener funktioneller Aspekte optimal erfüllen und zugleich eine lange Lebensdauer haben .

Hierzu wird ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk zur Aufnahme eines KugelZapfens weist eine Schale mit mindestens zwei Segmenten auf, wobei eines der mindestens zwei Segmente aus einem ersten Werkstoff und ein weiteres der mindestens zwei Segmente aus einem zweiten Werkstoff gefertigt ist . Demnach ist die Schale des Kugelgelenks aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen ausgebildet . Hierbei können unterschiedliche Werkstoffkombinationen zur Anwendung kommen. Verschiedene Aufgaben oder funktionelle Aspekte wie bspw. Spielfreiheit, Reibmoment, Verschleiß, Maximalbelastung und dergleichen, die das Kugelgelenk zu erfüllen hat, werden erfindungsgemäß durch die Segmente des Kugelgelenks unter entsprechend geeigneter Werkstoffwahl eines oder mehrerer der Segmente berücksichtigt .

Je nach Anwendungsfall , bei dem jeweils unterschiedliche Kombinationen funktioneller Aspekte mit verschiedenartiger Gewichtung relevant sind, kann eines der mindestens zwei Segmente der Schale durch entsprechende Werkstoffwahl eine Funktionsweise des Kugelgelenkes optimieren und zugleich einen Beitrag zur Verlängerung der Lebensdauer dieses Kugelgelenks leisten. Entsprechend sind mehrere Segmente des Kugelgelenks durch geeignete Abstimmung bezüglich der Werkstoffwähl dieser Segmente dazu geeignet, die Funktionsfähigkeit des Kugelgelenks zu verbessern. Erfindungsgemäß bietet sich somit die Möglichkeit, dass das hinsichtlich einer Kombination von Werkstoffen modular zusammensetzbare Kugelgelenk an konkrete Anforderungen oder Aufgaben angepasst werden kann.

Hierbei können Segmente der Schale des Kugelgelenks aus Kunststoff oder Metall gebildet sein. Selbstverständlich sind auch Werkstoffkombinationen aus Metall oder Kunststoff denkbar. Je nach Einsatz des Kugelgelenks bzw. der Aufgabe, die mindestens einem der Segmente bzw. mehreren Segmenten der Schale des Kugelgelenks zufällt bzw. zufallen, ist bei der Werkstoffwahl zu beachten, dass das jeweilige Segment oder die jeweiligen Segmente bspw. hinreichend elastisch oder verschleißfest ausgebildet ist bzw. sind. Die Werkstoffwahl für die mindestens zwei Segmente kann auch derart vorgenommen werden, dass diese weitere als die vorstehend genannten Bedingungen erfüllen. Bei entsprechender Eignung können für die mindestens zwei Segmente auch andere Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen als Kunststoff oder Metall sinnvoll sein.

In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Segmente der Schale des erfindungsgemäßen Kugelgelenks als Tragschale oder Lagerschale ausgebildet ist. Dabei ist die Tragschale vorzugsweise zur unmittelbaren Aufnahme eines Kugelzapfens ausgebildet. Die Lagerschale ist zwischen der Tragschale und dem Gehäuse des Kugelgelenks angeordnet und dient als stützende Schicht für die Tragschale. Außerdem ist ein Einsatz weiterer Module denkbar, durch die spezielle Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kugelgelenks begünstigt werden. Auch eine geeignete Werkstoffwähl für das Gehäuse oder Gehäuseteile des Kugelgelenkes kann anwendungsbedingt vorteilhaft sein. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, Segmente innerhalb der Tragschale und/oder der Lagerschale aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen.

Der innerhalb der Tragschale aufgenommene bzw. angeordnete Kugelzapfen mündet in ein in der Regel stangenförmiges Übertragungselement. Eine Hauptachse dieses Übertragungselements wird auch als Hauptachse des Kugelzapfens bezeichnet. Wenn vorgesehen ist, dass das Kugelgelenk mit sämtlichen Segmenten sowie dem Gehäuse an einem ersten Maschinen- oder Fahrzeugteil befestigt sein soll, so ist das Übertragungselement an einem zweiten Fahrzeug- oder Maschinenteil befestigt . Durch das Kugelgelenk, den darin aufgenommenen Kugelzapfen sowie das Übertragungselement ist eine Übertragung von Kräften oder Bewegungen zwischen den beiden Fahrzeug- oder Maschinenteilen möglich.

Je nach konkreter Ausgestaltung der Erfindung kann die Tragschale des Kugelgelenks aus mindestens zwei Segmenten ausgebildet sein. Dabei können die mindestens zwei Segmente der Tragschale senkrecht zu der Hauptachse des Kugelzapfens angeordnet sein. In diesem Fall ist mindestens eines der Segmente der Tragschale bspw. als Tragring ausgebildet, die den Kugelzapfen in horizontaler Richtung bezüglich des Gehäuses zumindest bereichsweise umschließt und dem Kugelzapfen somit einen ausreichenden Halt verleiht. Die Tragschale ist in diesem Fall bezüglich des Kugelgelenks vorzugsweise horizontal segmentiert bzw. unterteilt. In hierzu alternativer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Segmente der Tragschalen parallel zu einer Hauptachse des Kugelzapfens angeordnet sind, so dass die Tragschale bezüglich des Gehäuses vertikal segmentiert bzw. unterteilt ist.

Laufeigenschaften des Kugelgelenks werden dadurch positiv beeinflusst, dass zwischen dem Kugelzapfen und der Tragschale ein Schmierstoff mit geeigneten Schmiereigenschaften vorhanden ist . Ein derartiger Schmierstoff kann bedarfsweise auch zwischen der Tragschale und der Lagerschale vorhanden sein.

Ebenfalls ist es möglich, dass die Lagerschale aus mindestens zwei Segmenten, wie beispielsweise einer Oberschale und/oder einer Unterschale, ausgebildet ist. In diesem Fall ist die Lagerschale bevorzugt bezüglich des Gehäuses bzw. des Kugelgelenks horizontal segmentiert bzw. unterteilt .

Des Weiteren ist es möglich, in dem Kugelgelenk ein Federpaket anzuordnen. Durch diese Maßnahme wird dem Kugelgelenk insgesamt ein zusätzliches federndes Volumen bereitgestellt. Je nach Anforderung kann dieses Federpaket hochelastisch ausgebildet sein. Als Werkstoffe hierfür kommen bspw. Kunststoffe in Frage. Allerdings kann das Federpaket auch als eine metallische Feder, insbesondere eine Stahlfeder, ausgebildet sein. Ebenfalls ist denkbar, das Federpaket aus einer Stahlfeder zu fertigen, die bereichsweise, z. B. in Freiräumen, durch Kunststoff ergänzt ist .

In Abhängigkeit der funktionalen Vorgaben, die das erfindungsgemäße Kugelgelenk zu erfüllen hat, können für die einzelnen Segmente der Schale individuell Werkstoffe ausgewählt werden. Dabei ist es möglich, jene Segmente der Schale, aus denen die Tragschale und/oder die Lagerschale ausgebildet ist bzw. sind, aus denselben Werkstoffen oder alternativ aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen. Ebenso ist es möglich, ein Segment der Tragschale und ein Segment der Lagerschale aus gleichen Werkstoffen oder alternativ aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen. Außerdem besteht die Möglichkeit, ein Segment aus mehreren Werkstoffen zu fertigen.

Zur Verbesserung der Spielfreiheit bietet sich beispielsweise an, eine Federwirkung aus einer Elastizität von Kunststoff als Trägerwerkstoff für die Lagerschale zu nutzen. Ein geringer Verschleiß wird durch eine hochverschleißfeste Tragschale aus hartem Material, wie Metall oder entsprechend ausgebildetem Kunststoff, begünstigt .

Für das Reibmoment ist eine geeignete Werkstoffpaarung zwischen dem Kugelzapfen und dem mindestens einen Segment der Tragschale sowie eine geeignete Wahl des Schmierstoffs wesentlich. Eine nötige Federverspannung resultiert beispielsweise aus einem Druck, der von einer Trag- und/oder Lagerschale aus Kunststoff erzeugt wird.

Der Verschleiß lässt sich auch durch eine geeignete Materialpaarung zwischen dem Kugelzapfen dem mindestens einen Segment der Tragschale verringern.

Es kann zusätzlich vorgesehen sein, eine hohe Elastizität des jeweils mindestens einen Segments der Lager- bzw. Tragschale aus Kunststoff, ohne Rücksicht auf Verschleiß, und der Trag- bzw. Lagerschale aus verschleißfestem Werkstoff, ohne Rücksicht auf Elastizität, zu kombinieren. Hiermit ergeben sich neue funktionelle Aspekte, bei denen eine verlängerte Lebensdauer des Kugelgelenks gewährleistet ist .

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks in schematischer Darstellung. Fig. 2 zeigt ein Detail aus Fig. 1 aus einer anderen Perspektive.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks in schematischer Darstellung.

Fig. 4 zeigt ein Detail aus Fig. 3 aus einer anderen Perspektive.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks in schematischer Darstellung.

Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Kugelgelenk 1 weist als ein Segment eine Tragschale 102, und als ein weiteres Segment eine Lagerschale 101, ein Gehäuse 13 sowie einen Gehäuseabschluß 15 auf. In dem Kugelgelenk 1 ist ein Kugelzapfen 7 mit einem daran angeordneten Übertragungselement 9 mit einer Hauptachse 11 aufgenommen.

Fig. 2 zeigt einzelne Komponenten der in Fig. 1 gezeigten Anordnung von oben betrachtet. Aus dieser Darstellung geht hervor, dass die Tragschale 102 des Kugelgelenks 1 wiederum insgesamt drei Segmente 2, 3, 4 aufweist. Diese Segmente 2, 3, 4 sind parallel zu einer Hauptachse 11 des in der Tragschale 102 aufgenommenen Kugelzapfens 7 orientiert, d. h. die Tragschale 102 für den Kugelzapfen 7, bestehend aus den drei Segmenten 2, 3, 4, ist bezüglich des Gehäuses 13 vertikal segmentiert.

Während des Betriebs wirken auf das Übertragungselement 9 und auf das Kugelgelenk 1 sowohl parallel zu der Hauptachse 1 gerichtete Längskräfte (Pfeil) sowie senkrecht zu der Hauptachse 11 gerichtete Querkräfte (Pfeil) . Insbesondere bei Belastungen, die für das Kugelgelenk 1 durch Querkräfte verursacht werden, ist die in der Fig. 2 gezeigte Aufteilung der Tragschale 102 in drei Segmente 2, 3, 4 in vertikaler Anordnung bezüglich des Kugelgelenks 1 von Vorteil .

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einzelne Segmente 2, 3, 4, 5 des Kugelgelenks 1, also die drei Segmente 2, 3, 4 der Tragschale 102 sowie das als Lagerschale 101 ausgebildete Segment 5, aus unterschiedlichen Werkstoffen zu fertigen. Dabei ist das Segment der Lagerschale 101 aus Kunststoff gefertigt, die Segmente 2, 3, 4 Tragschale 102 sind aus Metall gefertigt. Mit den aus Metall ausgebildeten Segmenten 2, 3, 4 der Tragschalen 102 wird ein Beitrag zur Erhöhung der Stabilität des Kugelgelenks 1 geleistet. Durch die Maßnahme, das Segment 5 der Lagerschale 101 aus Kunststoff auszubilden, wird gleichzeitig eine Elastizität des Kugelgelenks 1 erhöht .

Das in der Fig. 3 gezeigte, zweite erfindungsgemäße Kugelgelenk 21 weist eine bezüglich einer Hauptachse 31 eines Kugelzapfens 27 in zwei Segmente 23, 24 senkrecht segmentierte bzw. unterteilte Tragschale 104 auf. Sowohl das obere als auch das untere Segment 23, 24 sind hier als Tragringe ausgebildet, die horizontal zu einem Gehäuse 33 des Kugelgelenks 21 orientiert sind.

Fig. 4 zeigt ein Detail des in Fig. 3 dargestellten Kugelgelenks 21 aus einer um 90° gedrehten Perspektive. Aus dieser Perspektive ist eine ringförmige Ausbildung des oberen Segments 23 der Tragschale 104 erkennbar.

Das Kugelgelenk 21 weist außerdem eine aus zwei Segmenten, nämlich eine aus einer Oberschale 26 und einer Unterschale 25, zusammengesetzte Lagerschale 105 auf. Die Tragringe 23, 24 sowie die Oberschale 26 und die Unterschale 25 sind innerhalb eines Gehäuses 33 aufgenommen. Dieses Gehäuse 33 ist nach unten durch einen Gehäuseabschluss 35 abgeschlossen. In dem Kugelgelenk 21 ist ein Kugelzapfen 27 aufgenommen. In den Kugelzapfen 27 mündet ein Übertragungselement 29 mit der Hauptachse 31.

Auch bei dem Kugelgelenk 21 ist erfindungsgemäß vorgesehen, einzelne Segmente, der als Tragringe 23, 24 ausgebildeten Tragschale 104 sowie der Oberschale 26 und der Unterschale 25, als Segmente der Lagerschale 105 aus unterschiedlichen Werkstoffen auszubilden. Zur Verbesserung der Elastizität des Kugelgelenks 21 ist dabei vorgesehen, die Oberschale 26 und die Unterschale 25 aus Kunststoff zu fertigen. Die beiden Tragringe 23, 24, die insgesamt die Tragschale 104 zur Aufnahme des Kugelzapfens 27 ausbilden, sind dagegen aus Metall oder aus verschleißfestem Kunststoff gefertigt, wodurch eine Stabilität des Kugelgelenks 21 erhöht wird.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelgelenks 21 ist sowohl die Tragschale 104 in die beiden Tragringe 23, 24 als auch die Lagerschale 105 in die Oberschale 26 und die Unterschale 25 senkrecht zu der Hauptachse 31 des KugelZapfens 27 segmentiert bzw. aufgeteilt. D. h. bzgl . des Kugelgelenks 27 oder des Gehäuses 33 sind diese Segmente 23, 24, 25, 26 horizontal orientiert. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn das Kugelgelenk 21 hauptsächlich durch Längskräfte in Richtung des Pfeils parallel zu der Hauptachse 31 beansprucht wird.

Fig. 5 zeigt ein drittes Kugelgelenk 41 mit weitgehend gleichen Komponenten wie das in Fig. 3 gezeigte Kugelgelenk 21: eine Tragschale 106, die als Segmente zwei Tragringen 43, 44 aufweist, eine Oberschale 46 und eine Unterschale 45, als Segmente einer Lagerschale 107, ein Gehäuse 53 und einen Gehäuseabschluss 55 als zusätzliches Gehäuseteil. Außerdem ist unterhalb eines Kugelzapfens 47 mit einem Übertragungselement 49 und der Unterschale 45 innerhalb des Gehäuses 53 ein Federpaket 60 angeordnet.

Dieses Federpaket 60, als weiteres Segment des erfindungsgemäßen Kugelgelenks 41, zeichnet sich durch hohe Elastizität aus. Je nach Anforderungen kann dieses Federpaket 60 als Teil einer elastischen Tragschale aus Kunststoff gefertigt oder als eine Stahlfeder ausgebildet sein. Auch eine Kombination aus Kunststoff mit einer Stahlfeder zur Bereitstellung des Federpakets 60 ist denkbar .

Je nach Einsatz des Kugelgelenks 41 können für die anderen Segmente, also die Oberschale 46, die Unterschale 45 sowie die beiden Tragringe 43, 44, zur Erziehung erfindungsgemäßer Vorteile geeignete Werkstoffe gewählt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Kugelgelenk zur Aufnahme eines Kugelzapfens (7, 27, 47), das eine Schale (101, 102, 104, 105, 106, 107) mit mindestens zwei Segmenten (2, 3, 4, 5, 23, 24, 25, 26, 43, 44, 45, 46) aufweist, wobei eines der mindestens zwei Segmente (2, 3, 4, 5, 23, 24, 25, 26, 43, 44, 45, 46) aus einem ersten Werkstoff und ein weiteres der mindestens zwei Segmente (2, 3, 4, 5, 23, 24, 25, 26, 43, 44, 45, 46) aus einem zweiten Werkstoff gefertigt ist .

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, bei dem einer der Werkstoffe Kunststoff ist.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem einer der Werkstoffe Metall ist.

4. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mindestens eines der Segmente (2, 3, 4, 23, 24, 43, 44) als Tragschale (102, 104, 106) zur Aufnahme des Kugelzapfens (7, 27, 47) ausgebildet ist.

5. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens eines der Segmente (2, 3, 4, 23, 24, 43, 44) als Lagerschale (101, 105, 107) ausgebildet und zwischen einem Gehäuse (13, 33, 53) und der Tragschale (102, 104, 106) angeordnet ist.

6. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Schale (101, 102) parallel zu einer Hauptachse (11) des Kugelzapfens (7) segmentiert ist, wobei mindestens eines der Segmente (2, 3, 4) parallel zu der Hauptachse (11) des Kugelzapfens (7) orientiert ist.

7. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schale (104, 105, 106, 107) senkrecht zu einer Hauptachse (31, 51) des Kugelzapfens (27, 47) segmentiert ist, wobei mindestens eines der Segmente (23, 24, 25, 26, 43, 44, 45, 46) senkrecht zu der Hauptachse (31, 51) des Kugelzapfens (27, 47) orientiert ist .

8. Kugelgelenk nach Anspruch 4 oder 7, bei dem das mindestens eine Segment der Tragschale (105, 107) als Tragring (23, 24, 43, 44) ausgebildet ist.

9. Kugelgelenk nach Anspruch 5 oder 7, bei dem ein erstes Segment der Lagerschale (104, 106) als Oberschale (26, 46) und ein zweites Segment der Lagerschale (104, 106) als Unterschale (25, 45) ausgebildet ist.

10. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das mindestens ein Federpaket (60) aufweist.

11. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, in dem ein Schmierstoff vorhanden ist.

12. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem mindestens eines der Segmente (2, 3, 4, 5, 23, 24, 25, 26, 43, 44, 45, 46) aus mindestens zwei Werkstoffen gefertigt ist.