Kugelgelenk

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem eine Zapfenöffnung aufweisenden Gehäuse und einem eine Gelenkkugel aufweisenden Kugelzapfen, der mittels der Gelenkkugel bewegbar in dem Gehäuse gelagert ist und sich durch die Zapfenöffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstreckt.

Häufig besteht der Bedarf an einem Gelenk, mit dem eine Taumelbewegung erzielbar ist, insbesondere eine räumlich taumelnde Laufbahn mit nur einem Freiheitsgrad. Hierzu bietet sich ein Kugelgelenk mit seinen drei Drehfreiheitsgraden an, von denen jedoch zwei gezielt aufgehoben werden müssen. Zur Erzielung einer Taumelbewegung kann z.B. ein Kugelgelenk eingesetzt werden, in dessen Gelenkkugel oberflächlich zwei voneinander unabhängige Nuten vorgesehen sind, in die zwei am Gelenkgehäuse gelagerte und feststehende Stifte oder Rollen eingreifen. Diese zwingen die Gelenkkugel bei einer Bewegung auf eine vorgegebene Laufbahn, sodass es möglich ist, ein mit der Gelenkkugel verbundenes Teil einer gewünschten räumlichen Bewegung zu unterziehen.

Diese Lösung ist jedoch sehr kostenaufwendig, da sowohl die Ausbildung der Nuten durch Fräsen und gegebenenfalls Schleifen als auch die Fertigung und Montage der Führungsfinger teuer ist. Ferner erfordert die doppelte Zwangsführung hohe Fertigungstoleranzen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Zwangsführung eines Kugelzapfens eines Kugelgelenks zu schaffen, die insbesondere im Hinblick auf die Massenproduktion kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Kugelgelenk nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Das erfindungsgemäße Kugelgelenk, insbesondere für ein Fahrzeug, weist ein mit einer Zapfenöffnung versehenes Gehäuse und einen eine Gelenkkugel umfassenden Kugelzapfen auf, der mittels der Gelenkkugel bewegbar, insbesondere drehbar und schwenkbar, in dem Gehäuse gelagert ist und sich durch die Zapfenöffnung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstreckt, wobei die Gelenkkugel eine nicht ebene Regelfläche aufweist, die mit einer an dem Gehäuse vorgesehenen Anlage in Kontakt steht.

Durch das Zusammenwirken von Regelfläche und Anlage wird eine Zwangsführung des Kugelzapfens erzielt, die eine Beschränkung der Bewegungsfreiheit des Kugelzapfens bewirkt. Bevorzugt definiert die Formgebung der Regelfläche eine räumliche Bewegungsbahn, entlang welcher sich der Kugelzapfen bewegt oder bewegen kann, wenn der Kugelzapfen um seine Längsachse dreht oder gedreht wird. über die Formgebung der Regelfläche wird insbesondere eine Abhängigkeit zwischen einer Verdrehung des Kugelzapfens um seine Längsachse und einer seitlichen Auslenkung des Kugelzapfens um wenigstens eine andere Achse (Schwenkachse) geschaffen, die schräg oder senkrecht zu der Längsachsachse des Kugelzapfens ausgerichtet ist. Bevorzugt schneidet die wenigstens eine Schwenkachse die Längsachse des Kugelgelenks, wobei der Schnittpunkt vorzugsweise im Zentrum der Gelenkkugel liegt. Insbesondere zwingt das Zusammenwirken von Regelfläche und Anlage den Kugelzapfen bei einer Verdrehung um seine Längsachse zu einer seitlichen Auslenkung. Die Herstellung der Regelfläche erfolgt z.B. durch Kaltpressen, was bei großen Stückzahlen sehr kostengünstig möglich ist. Unter einer Regelfläche wird mathematisch insbesondere eine Fläche verstanden, die durch Bewegung einer Geraden im Raum erzeugt werden kann (siehe I. N. Bronstein und K. A. Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, 25. Auflage 1991, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart, Seite 605) .

Eine ergänzende Beschränkung der Bewegungsfreiheit des Kugelzapfens oder eine ergänzende Zwangsführung des Kugelzapfens kann durch eine zusätzliche Führung erfolgen, mittels welcher der Kugelzapfen geführt wird, insbesondere auf eine vorgegebene Bewegungsbahn gezwungen wird. Die zusätzliche Führung beschränkt insbesondere die möglichen seitlichen Auslenkungen des Kugelzapfens und kann z.B. von einer Kulisse gebildet sein, durch welche sich der Kugelzapfen hindurch erstreckt. Bevorzugt ist die zusätzliche Führung durch die Zapfenöffnung gebildet. Die zusätzliche Führung oder Zapfenöffnung ist vorzugsweise länglich, insbesondere oval

ausgebildet, was relativ kostengünstig umsetzbar ist. Durch die Zapfenöffnung und durch das Zusammenwirken von Regelfläche und Anlage werden die Bewegungsmöglichkeiten des Kugelzapfens bevorzugt auf eine räumliche Bewegungsbahn beschränkt, insbesondere zur Ausführung einer Taumelbewegung .

Der Kugelzapfen weist bevorzugt einen mit der Gelenkkugel fest verbundenen Zapfen auf, wobei die Regelfläche z.B. an der dem Zapfen abgewandten Seite der Gelenkkugel vorgesehen ist. Insbesondere bildet die Regelfläche eine dem Zapfen gegenüberliegende Stirnfläche oder Stirnseite des Kugelzapfens. Vorzugsweise ist die Regelfläche näherungsweise senkrecht zu der Längsachse des Kugelzapfens ausgerichtet, wobei der Begriff „näherungsweise" berücksichtigt, dass die Regelfläche nicht eben ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Gelenkkugel bei etwa 2/3 ihrer Höhe mit einer Abflachung versehen, an der die Regelfläche ausgebildet ist. Vor der Ausbildung der Regelfläche ist die Abflachung bevorzugt eben und senkrecht zur Längsachse des Kugelzapfens ausgerichtet. Die Regelfläche weist insbesondere eine umlaufende Berandung auf, welche die Mittellängsachse des Kugelzapfens vorzugsweise umgibt oder umringt.

Zwischen dem Gehäuse und dem Kugelzapfen ist vorzugsweise ein Schutzoder Dichtungsbalg angeordnet, der ein Eindringen von Verschmutzungen und Feuchtigkeit in das Innere des Kugelgelenks verhindert. Der Zapfen des Kugelzapfens ist insbesondere als Gewindezapfen ausgebildet.

Der Kontaktbereich zwischen Regelfläche und Anlage ist bevorzugt linienförmig und liegt insbesondere auf einer Geraden. Somit ist eine optimale Führung des Kugelzapfens möglich, da die Regelfläche in mathematischer Hinsicht ja durch die Bewegung einer Geraden im Raum erzeugt werden kann. Vorzugsweise ist die Anlage fest mit dem Gehäuse verbunden und/oder an diesem gelagert. Gemäß einer Weiterbildung ist die Anlage als in dem Gehäuse gelagerter Stift ausgebildet. Vorzugsweise steht die Mantelfläche der Anlage entlang einer Geraden oder Mantelgeraden mit der Regelfläche in Kontakt. Die Anlage ist insbesondere drehbar an dem Gehäuse gelagert, sodass die Reibung reduziert werden kann. Die drehbare Lagerung kann z.B. mittels wenigstens einer Nadellagerbuchse erfolgen. Ferner ist die Anlage insbesondere um ihre Längsachse drehbar an dem Gehäuse gelagert.

Gemäß einer Ausgestaltung weist das Kugelgelenk einen

Verriegelungsmechanismus auf, mittels welchem der Kugelzapfen in Endlagen seiner Bewegungsbahn verriegelt wird oder werden kann. Insbesondere weist die Gelenkkugel dafür wenigstens eine Querbohrung auf, in der wenigstens eine Rastkugel bewegbar geführt ist, die in eine im Gehäuse vorgesehene Rastausnehmung eingreift oder eingreifen kann. Greift die Rastkugel in die Rastausnehmung ein, so ist die Gelenkkugel am Gehäuse verriegelt. Die Rastkugel ist vorzugsweise mittels einer Feder vorgespannt, insbesondere in Richtung Gehäuse oder Rastausnehmung, sodass ein Verrasten bei Erreichen der Endlage automatisch erfolgt.

Gemäß einer Weiterbildung ist in dem Kugelzapfen eine bevorzugt schräg oder senkrecht zu der Querbohrung ausgerichtete Längsbohrung vorgesehen, in der ein Entriegelungsstift federnd gelagert ist, der die Rastkugel in die Rastausnehmung drückt oder drücken kann. Durch Bewegen des Entriegelungsstifts gegen die Federkraft, kann die Vorspannung der Rastkugel in Richtung auf die Rastausnehmung aufgehoben werden, sodass die Gelenkkugel freigegeben ist und der Kugelzapfen aus der Endlage herausbewegt werden kann.

Die Zwangsführung des Kugelzapfens wird somit nicht durch Nuten an der Kugelfläche der Gelenkkugel, sondern erfindungsgemäß durch eine Regelfläche erzielt, die insbesondere an der Kugelstirnfläche dem Zapfen gegenüberliegend vorgesehen ist. Bevorzugt wird die Polarseite der Kugel bei ca. 2/3 der Kugelhöhe abgeflacht, wobei an dieser Abflachung die Regelfläche ausgebildet wird. Die Regelfläche zwingt den Kugelzapfen bei einer Drehung zum seitlichen Schwenken. Als Gegenseite bzw. Anlage für die Regelfläche kann ein Stift verwendet werden, der im Gehäuse gelagert ist und mit nur einer seiner Mantelgeraden mit der Gelenkkugel in Kontakt steht. Somit wird insbesondere ein Schwenken der Gelenkkugel senkrecht zur Stiftachse verhindert. Um die Reibung zu reduzieren, kann der Stift ferner mit Nadellagerbüchsen im Gehäuse gelagert sein. Vorzugsweise übernimmt eine ovale Gehäuseöffnung eine zweite oder zusätzliche Führung des Kugelzapfens.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Kugelgelenk um einen

Verriegelungsmechanismus ergänzt sein, sodass der Kugelzapfen in Endlagen seiner Taumelbewegungsbahn arretiert werden kann. Dies ist beispielsweise durch Querbohrungen in der Gelenkkugel möglich, in die kleine Rastkugeln

eingebracht sind, die durch einen federbelasteten Entriegelungsstift radial vorgespannt sind, der in einer Längsbohrung im Kugelzapfen sitzt, die entlang der Mittellinie des Kugelzapfens verläuft und insbesondere senkrecht zu den Querbohrungen ausgerichtet ist. Wenn sich die Rastkugelmitte zwischen der Oberfläche der Gelenkkugel und der Gehäuseinnenfläche befindet, ist der Kugelzapfen verriegelt. Zur Entriegelung des Kugelzapfens kann der Entriegelungsstift gegen die Federkraft in eine freigebende Position bewegt werden, z.B. mittels eines Knopfes, eines Seilzugs, eines Elektromotors, eines Hydraulikzylinders und/oder eines Pneumatikzylinders.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks zum Ausführen einer Bewegung, insbesondere einer Taumelbewegung, eines Fahrzeugteils relativ zum Fahrzeugaufbau eines Fahrzeugs .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung eines Kugelgelenks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 0°- Position des Kugelzapfens,

Fig. 3: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 30°-Position des Kugelzapfens,

Fig. 4: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 60°-Position des Kugelzapfens,

Fig. 5: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 90°-Position des Kugelzapfens,

Fig. 6: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 120°-Position des Kugelzapfens,

Fig. 7: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 150 "-Position des Kugelzapfens und

Fig. 8: eine Schnittansicht des Kugelgelenks in einer 180°-Position des Kugelzapfens.

Aus Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Darstellung eines Kugelgelenks 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei ein mit einer Gelenkkugel 2 versehener Kugelzapfen 3 mit seiner Gelenkkugel 2 in einem Kugelgelenkgehäuse 4 drehbar und schwenkbar gelagert ist. An dem Gehäuse 4 ist ein Flansch 5 vorgesehen, mittels welchem das Gehäuse 4 an einem Fahrzeugteil befestigt werden kann. Ferner kann der Kugelzapfen an einer Fahrzeugkarosserie befestigt werden, sodass das Fahrzeugteil relativ zu der Karosserie bewegt werden kann.

Der Kugelzapfen 3 weist einen fest mit der Gelenkkugel 2 verbundenen Gewindezapfen 6 auf und erstreckt sich aus dem Gehäuse 4 heraus. An der Gelenkkugel 2 ist an ihrer dem Zapfen 6 abgewandten Seite eine Regelfläche 7 vorgesehen, die eine Stirnfläche des Kugelzapfens 3 bildet. Die Regelfläche ist nicht eben und liegt an einem Zwangsführungsstift 8 an, der in einer im Gehäuse 4 vorgesehenen Bohrung 22 einliegt und mittels Nadellagerbuchsen 9 um seine Längsachse drehbar an dem Gehäuse 4 gelagert ist. Der Kugelzapfen 3 ist in üblicher Weise unter Zwischenschaltung einer Kugelschale 10 in einem Innenraum 11 des Gehäuses 4 gelagert, der über eine oval ausgebildete Zapfenöffnung 12 zugänglich ist, durch welches sich der Kugelzapfen 3 hindurcherstreckt. Das Gehäuse 4 umfasst einen Verschlussring 19, in dem die Gehäuseöffnung 12 vorgesehen ist. Der Kugelzapfen 3 wird durch das Zusammenwirken von Regelfläche 7 und Stift 8 einerseits und durch die ovale Gehäuseöffnung 12 andererseits derart zwangsgeführt, dass er sich relativ zu dem Gehäuse 4 lediglich entlang einer vordefinierten Bewegungsbahn bewegen kann, die eine Taumelbewegung des Kugelzapfens bewirkt .

Der Kugelzapfen 3 kann in bestimmten Lagen an dem Gehäuse 4 verrastet werden, wofür ein Verπegelungsmachanismus vorgesehen ist, der mehrere in im Innern der Gelenkkugel 2 vorgesehenen Querbohrungen 13 angeordnete Rastkugeln 14 umfasst, die sich entlang der Querbohrungen 13 bewegen und in an der den Innenraum 11 begrenzenden Innenwandung des Gehäuses 4 vorgesehene Rastausnehmungen 15 eingreifen können. Dabei ist der

Kugelzapfen 3 an dem Gehäuse 4 verrastet, wenn die Rastkugeln 14 in die Rastausnehmungen 15 eingreifen. Die Rastkugeln 14 werden mittels eines Entriegelungsstifts 16 radial nach außen in Richtung Rastausnehmungen 15 gedrückt, wobei der Entriegelungsstift 16 in einer im Kugelzapfen 3 vorgesehenen Längsbohrung 17 verschiebbar geführt und mittels einer Feder 18 axial in Richtung Gelenkkugel 2 vorgespannt ist. Im unbetätigten Zustand drückt der Entriegelungsstift 16 somit die Rastkugel 14 radial nach außen in Richtung Gehäuseinnenwandung. Zum Entriegeln des Kugelzapfens 3 kann der Entriegelungsstift 16 gegen die Kraft der Feder 18 axial von der Gelenkkugel 2 wegbewegt werden, sodass die Rastkugeln 14 sich entlang der Querbohrungen 13 ins Innere des Kugelzapfens 3 hineinbewegen und somit die Verriegelung aufheben können. Der entriegelte Zustand ist aus Fig. 1 ersichtlich. Am Ort der Rastausnehmungen 15 weist die Kugelschale 10 Löcher auf, durch welche hindurch die Rastkugeln 14 in die Rastausnehmungen 15 eingreifen können.

Aus den Fig. 2 bis 8 sind Schnittansichten des Kugelgelenks 1 ersichtlich, wobei der Verπegelungsmechanismus der übersichtlichkeit halber weggelassen worden ist. In den Fig. 2 bis 8 ist der Kugelzapfen 3 in unterschiedlichen Positionen seiner Bewegungsbahn dargestellt, wobei in Fig. 2 der Kugelzapfen 3 um einen Winkel von 0° um seine Längsachse 20 relativ zu dem Gehäuse 4 verdreht ist. Die Längsachse 20 des Kugelzapfens 3 fällt in Fig. 2, zumindest nährungsweise, mit der Längsachse 21 des Gehäuses 4 oder Gelenks 1 zusammen, sodass lediglich die Längsachse 21 dargestellt ist. Entsprechendes gilt für Fig. 8. In Fig. 3 beträgt der Verdrehwinkel, um den der Kugelzapfen 3 um seine Längsachse 20 verdreht ist, 30°, in Fig. 4 60°, in Fig. 5 90°, in Fig. 6 120°, in Fig. 7 150° und in Fig. 8 180°. Gemäß der Fig. 2 bis 8 rotiert somit der Kugelzapfen 3 um seine Längsachse 20 in Schritten von 30°. Dabei ist zu erkennen, das der Kugelzapfen 3 in den Fig. 3 bis 7 seitlich ausgelenkt ist, wobei die Auslenkung durch den Winkel zwischen den beiden Längsachsen 20 und 21 beschrieben wird. Wegen des Zusammenwirkens von Regelfläche 7 und Stift 8 sowie wegen der Führung durch die Zapfenöffnung 12 ist die Abhängigkeit zwischen Verdrehwinkel und Auslenkung fest vorgegeben. Die Zapfenöffnung 12 legt hierbei die Richtung der Auslenkung fest, wohingegen das Zusammenwirken von Regelfläche 7 und Stift 8 jeder Auslenkung einen definierten Verdrehwinkel zuordnet.

Bezugszeichenliste

Kugelgelenk Gelenkkugel Kugelzapfen Gehäuse Flansch Gewindezapfen Regelfläche Zwangsführungsstift Nadellagerbuchse Kugelschale / Lagerschale Innenraum Zapfenöffnung Querbohrung Rastkugel Rastausnehmung Entriegelungsstift Längsbohrung Feder Verschlussring Längsachse des Kugelzapfens / Mittellängsachse Längsachse des Gehäuses Gehäusebohrung