Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kugelgelenkes.

Kugelgelenke, wie sie beispielsweise in Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, weisen grundsätzlich einen ähnlichen Aufbau auf. So bestehen sie aus einem Gehäuse und einem Kugelzapfen, dessen Gelenkkugel in einer Lagerschale, die auch aus mehreren Lagerschalenteilen gebildet sein kann, dreh- und schwenkbar aufgenommen ist. Bei der Montage eines Kugelgelenkes ist darauf zu achten, dass zwischen der Gelenkkugel und der diese umschließenden Lagerschale eine möglichst geringe Reibung vorhanden ist. Als Gradmesser der Reibung dient dabei das am Kugelzapfen messbare Drehmoment, wenn der Kugelzapfen aus seiner Neutrallage heraus verschwenkt oder gedreht wird. Dieses Drehmoment ist neben den eingesetzten Materialien der Lagerschale sowie der Oberfläche der Gelenkkugel auch von den Vorspannkräften abhängig, die sich montageabhängig ausgehend von der Lagerschale auf die Gelenkkugel und damit den Kugelzapfen und dessen Beweglichkeit auswirken.

Man unterscheidet Axialgelenke und Radialgelenke, wobei ein maßgebliches Kriterium für diese Unterscheidung die Richtung der hauptsächlich in das Kugelgelenk eingeleiteten Kräfte ist. Wirken diese Kräfte bezogen auf die Längsachse des Gehäuses, die bei nicht ausgelenktem Kugelzapfen mit der Längsachse des Kugelzapfens zusammenfällt, in radialer Richtung, geht man von einem Radialgelenk aus. Ebenso verhält es sich beim Axialgelenk, dessen Krafteinleitung hauptsächlich in axialer Richtung erfolgt.

Zum Teil ist bei Kugelgelenken eine Elastizität der Lagerschale gewünscht, um beispielsweise in begrenztem Umfang Bewegungen des Kugelzapfens innerhalb des Kugelgelenkes oder Toleranzen ausgleichen zu können .

Eine mehrteilige und aus einem Kunststoff-Metall-Verbundwerkstoff hergestellte Lagerschale und ein hiermit ausgestattetes Kugelgelenk geht am Beispiel eines Axialgelenkes aus der EP 0 922 868 A2 hervor. Neben dem Umstand, dass die Lagerschale nach dieser Druckschrift eine Eigenelastizität aufweist und damit einer Bewegung des Kugelzapfens in gewissen Grenzen nachgibt, weist das beschriebene Kugelgelenk ferner zusätzlich einen Dämpfungsring auf.

Eine weitere Möglichkeit, die Lagerschale für ein Kugelgelenk elastisch auszuführen, besteht darin, in die Lagerschale Nuten und/oder Schlitze einzubringen. Eine solche Lösung geht zum Beispiel aus der DE-AS 1 098 377 hervor und ist sowohl für einteilige, wie auch für mehrteilige Lagerschalen geeignet.

Die DE 195 45 567 C2 beschreibt darüber hinaus ein Kugelgelenk mit einer einteiligen Lagerschale, welche mit einem Filmscharnier ausgestattet ist. Das Filmscharnier dient gemäß dem Offenbarungsgehalt der Druckschrift dazu, die Gelenkkugel des Kugelzapfens in die Lagerschale einsetzen zu können, bevor die somit geschaffene Baueinheit insgesamt in ein Gehäuse eingesetzt wird. Das Filmscharnier weist nach der Montage des Kugel-gelenkes die Möglichkeit auf, eine begrenzte Nachgiebigkeit der Lager-schale und damit eine zusätzliche Elastizität zu gewährleisten, was bedeutet, dass der Kugelzapfen in Richtung quer zu seiner Längsachse in dem Gehäuse bewegbar gelagert ist.

Insbesondere bei Kugelgelenken mit einer mehrteiligen Lagerschale konnte jedoch festgestellt werden, dass ein hinreichender Elastizitätsausgleich mit durch das Material und die Geometrie der Lagerschale definierten Eigenschaften bei gleichzeitig befriedigender Stabilität der Lagerschale bei den bekannten Lösungen nicht gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelgelenk zur Verfügung zu stellen, dessen Lagerschale einen definierten Elastizitätsausgleich ermöglicht und somit Rückstelleigenschaften aufweist, ohne Einbußen hinsichtlich der erforderlichen Stabilität der Lagerschale hinnehmen zu müssen. Ferner ist ein Verfahren anzugeben, dass die Herstellung eines derartigen Kugelgelenks ermöglicht. Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben .

Ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse und einem Kugelzapfen, dessen Gelenkkugel in einer Lagerschale dreh- und schwenkbar gelagert ist, wurde erfindungsgemäß dahingehend weitergebildet, dass die Lagerschale einen durch ein Trennverfahren, wie z.B. einen

Platinenschnitt oder Stanzen, hergestellten und umgeformten Blechstreifen enthält.

Der Blechstreifen weist zumindest einseitig Ausnehmungen auf, so dass an der Lagerschale Zacken oder Zähne gebildet sind. Die Enden der Zacken oder Zähne weisen nach der Umformung des Blechstreifens zur kugelförmigen Lagerschalenform nach innen zur Mittelachse des Kugelzapfens hin. Des Weiteren weisen die Enden der Zacken oder Zähne einen Abstand auf.

Die Ausnehmungen oder Zacken oder Zähne können V-förmig ausgebildet sein. In dem Fall laufen die Zacken oder Zähne spitz zu. Eine weitere günstige Form der Zacken oder Zähne ist eine trapezartige Ausbildung. Selbstverständlich können auch die Ausnehmungen trapezartig sein.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis von Tiefe der Ausnehmungen oder Zacken oder Zähne zur Breite bzw. des Abstands der Zacken- oder Zahnenden etwa 2/3 zu 1/3 beträgt.

Durch den Blechstreifen an oder in der Lagerschale weist diese eine verbesserte Stabilität auf. Die Kombination elastischer Eigenschaften und höherer Festigkeiten bei der erfindungsgemäßen Lagerschale ergibt insgesamt eine reibungsoptimierte Bauteilpaarung .

Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lagerschale aus mehreren Lagerschalenteilen besteht und zumindest ein Lagerschalenteil einen Blechstreifen enthält. Die mehrteilige Ausführung einer Lagerschale eines Kugelgelenkes gestattet einen wesentlich breiteren Gestaltungsspielraum bei der Auslegung. So ist es beispielsweise möglich, unterschiedliche Materialien oder Mateπalzusammensetzungen für die Lagerschalenteile zu verwenden, was eine weitere Optimierung der Reibbeiwerte mit sich bringt.

Darüber hinaus kann es von erheblichem Vorteil sein, wenn zumindest ein Lagerschalenteil insgesamt aus einem metallischen Material besteht oder Metall enthält. Durch eine derartige Ausführung kann die Reibung extrem minimiert werden. Zudem ist ein derartig ausgelegtes Kugelgelenk in der Lage, höhere Belastungen aufzunehmen, als herkömmliche Bauformen. Insbesondere die sich bei Kugelgelenken in Kraftfahrzeugen als problematisch erweisenden „Losbrechmomente", die sich insbesondere nach längerem Stillstand eines Kugelgelenkes zwischen den Reibpartnern Lagerschale und Gelenkkugel einstellen können, sind mit derartigen Ausführungen vermeidbar. Somit kann auch die Lebensdauer eines derart ausgestatteten Kugelgelenkes entscheidend verbessert werden, denn insbesondere die erwähnten Losbrechmomente führen zu verstärktem Verschleiß und damit der Gefahr eines vorzeitigen Ausfalls eines Kugelgelenkes. Insbesondere aufgrund des Platinenschnittes der metallischen Schicht des Lagerschalenteiles bleibt dieses auch als Metallteil elastisch.

Eine weitere sehr vorteilhafte Lösung wird ferner darin gesehen, dass das Lagerschalenteil mit dem Blechstreifen aus einem Verbundwerkstoff besteht und wenigstens eine KunststoffSchicht aufweist. Hierbei können die positiven Dämpfungseigenschaften eines Kunststoffes sowie seine Toleranzen ausgleichenden Eigenschaften in sehr vorteilhafter Weise mit den zuvor genannten Elastizitäten und Festigkeiten des metallischen Bandes kombiniert werden. Dabei ist es möglich, eine oder mehrere Kunststoffschichten vorzusehen. Folglich kann das metallische Band zum Beispiel zwischen zwei Kunststoffschichten eingebettet werden. Eine andere Ausführungsvariante ist darin zu sehen, dass das metallische Band unmittelbar mit einer seiner Oberflächen an der korrespondierenden Innenoberfläche des Gehäuses zur Anlage kommt. Diesem Erfindungsgedanken folgend können auch sämtliche Lagerschalenteile aus unterschiedlichen Materialien beziehungsweise Mateπalzusammensetzungen bestehen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Lagerschalenteile jeweils unter einer axialen und/oder radialen Vorspannkraft in das Gehäuse eingesetzt werden. Die Ausrichtung der Vorspannkraft in axialer oder radialer Richtung richtet sich nach der Ausführung des entsprechenden Kugelgelenkes. Auch hierbei unterscheidet man Axialgelenke und Radialgelenke . Die auf die Lagerschale beziehungsweise die Lagerschalenteile aufgebrachte Vorspannkraft ermöglicht später den Ausgleich der auf das Kugelgelenk einwirkenden Kräfte im Rahmen der bereits vorhandenen Vorspannkraft.

Eine zusätzliche Steigerung der Elastizität des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes und der darin enthaltenen Lagerschale lässt sich erreichen, indem im fertig montierten Kugelgelenk an dem Lagerschalenteil mit dem Blechstreifen ein Abstand bzw. Spaltabstand im Sinne einer Trennfuge vorhanden ist. Die Trennfuge wird erfindungsgemäß dazu genutzt, einen Ausgleich der Bewegung der Lagerschale gegenüber dem Kugelzapfen zu ermöglichen .

Die Trennfuge kann erfindungsgemäß einen Spaltabstand zwischen 0,3 und 0,7 Millimeter aufweisen. Ein bevorzugter Spaltabstand beträgt jedoch 0,5 Millimeter. Hierbei haben sich optimale Elastizitätswerte an einer erfindungsgemäßen Lagerschale herausgestellt.

Zur verbesserten Kompensierung der über den Kugelzapfen in das Kugelgelenk eingeleiteten Kräfte ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Lagerschale elastisch ausgeführt und zumindest ein Lagerschalenteil eine konische Anlagefläche aufweist, mit der sich diese an einer korrespondierenden Innenoberfläche des Gehäuses abstützt. Aufgrund der konischen Ausgestaltung der miteinander korrespondierenden Anlageflächen der Lagerschale und des Gehäuses können Kräfte sowohl in axialer als auch in radialer Richtung optimal abgefangen werden. Ein derartig ausgestattetes Gelenk kann sowohl als Axialgelenk als auch Radialgelenk ausgeführt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes weist mindestens die nachfolgenden Verfahrensschritte auf:

Herstellung eines bandförmigen Lagerschalenrohlings aus einem

Blechstreifen, - Einbringung einer zacken- oder zahnartigen Kontur in eine Längsseite des Lagerschalenrohlings mittels eines Trennverfahrens, sodass der Lagerschalenrohling die Geometrie einer Abwicklung der Lagerschale aufweist,

Umformung des Lagerschalenrohlings, sodass eine Lagerschale mit einer kugelförmigen Lagerfläche beziehungsweise ein Lagerschalenteil mit einer kugelförmigen Lagerfläche gebildet wird.

Das angegebene Verfahren ist fertigungstechnisch sehr einfach durchzuführen und ermöglicht darüber hinaus die Bereitstellung von Lagerschalen, die optimal und belastungsabhängig ausgelegt werden können. Die zacken- oder zahnartige Kontur einer Längsseite des Lagerschalenrohlings ermöglicht bei der fertig gestellten Lagerschale eine zusätzliche Verbesserung der elastischen Eigenschaften dieser Lagerschale .

Entsprechend einer Ausgestaltung dieser Erfindung kann die Erzeugung des Lagerschalenrohlings zumindest teilweise durch Stanzen erfolgen. Die Anwendung eines Stanzverfahrens ermöglicht eine sehr kurze Taktzeit zur Herstellung der Lagerschalenrohlinge.

Das Stanzverfahren oder ein Platinenschneidverfahren können dabei sowohl zur Erzeugung von Lochungen als auch zur Herstellung der zacken- oder zahnartigen Kontur zum Einsatz kommen. Darüber hinaus ist es denkbar, einen erfindungsgemäßen Lagerschalenrohling insgesamt und in einem Arbeitsgang durch ein Stanzverfahren oder ein Platinenschneidverfahren herzustellen .

Insbesondere Platinenschmtte sind mit einer hohen Präzision durchführbar, so dass auch baulich kleine Abmessungen, wie sie vorliegend bei der Fertigung einer Lagerschale auftreten, ausgeführt werden können. Deshalb sind derartige Fertigungsverfahren vorliegend besonders vorteilhaft anwendbar.

Zur Umformung des Lagerschalenrohlings und der Bildung einer kugelförmigen Lagerschale beziehungsweise eines kugelförmigen Lagerschalenteiles kann ein Rollverfahren angewendet werden. Durch das Rollverfahren kann die kugelförmige Kontur der Lagerfläche der Lagerschale beziehungsweise des Lagerschalenteiles optimal und mit hoher Präzision erzeugt werden.

Wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist es von Vorteil, bei der Montage des Kugelgelenkes eine Vorspannkraft auf die Lagerschale aufzubringen. Die Vorspannkraft ermöglicht beim fertig montierten Kugelgelenk den Ausgleich der über den Kugelzapfen in die Lagerschale eingebrachten Kräfte zumindest in begrenztem Umfang und wirkt Toleranz-ausgleichend.

Um die Reibungswerte und das damit einhergehende Losbrechmoment des Kugelzapfens innerhalb des Kugelgelenkes vorab möglichst genau definieren zu können, wird ferner vorgeschlagen, dass während der Montage der Kugelgelenkbauteile die zur Bewegung des Kugelzapfens innerhalb der Lagerschalen erforderlichen Drehmomente in definierten Abständen gemessen werden und das Kugelgelenk erst bei Erreichung eines vorgegebenen Drehmomentes verschlossen wird, so dass das zuletzt ermittelte Drehmoment erhalten bleibt. Auf diese Weise lassen sich die Reibbeiwerte und die innerhalb des Kugelgelenkes auftretenden Drehmomente zuverlässig einstellen und auch für eine Großserienproduktion wiederholbar gestalten. Die somit erzeugten Kugelgelenke weisen eine gleich bleibende Qualität auf .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen keine Einschränkung auf die dargestellten Varianten dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Pπnzipdarstellungen gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden sind.

Es zeigen:

Figur 1 eine aufgebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgelenkes,

Figur 2 einen Stadienplan der Herstellung eines Lagerschalenbauteiles, Figur 3 ausschnittsweise einen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsvariante einer mehrschichtig ausgeführten Lagerschale und

Figur 4 ausschnittsweise eine zweite Variante einer mehrschichtig ausgeführten Lagerschale im Schnitt .

In der Figur 1 ist ein Kugelgelenk in einer räumlichen Ansicht gezeigt, bei dem es sich vorliegend um ein Axialgelenk handelt. Das Kugelgelenk weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Kugelzapfen 2 schwenk- und drehbar gelagert ist. Die Lagerung des Kugelzapfens 2 in dem Gehäuse 1 erfolgt über eine an dem Kugelzapfen ausgebildete Gelenkkugel 3. Diese Gelenkkugel 3 ist in einer insgesamt mit 6 bezeichneten Lagerschale aufgenommen. Die Lagerschale 6 besteht bei dem in Figur 1 gezeigten Kugelgelenk aus zwei Lagerschalenteilen 4 und 5. Das Lagerschalenteil 4 wurde bei dem Ausführungsbeispiel aus einem Kunststoff begrenzter Elastizität hergestellt, während das Lagerschalenteil 5 aus einem metallischen Werkstoff besteht, beziehungsweise ein Blechstreifen 7 aufweist. Da der Blechstreifen 7 durch ein Rollverfahren hergestellt wird, und somit zu einer kugelförmigen Kontur des Lagerschalenteiles 5 umgeformt ist, weist das Lagerschalenteil 5 einen Spaltabstand 9 auf, der eine Trennfuge 9 dieses Lagerschalenteils 5 bildet. Das in der Figur 1 obere, aus Kunststoff bestehende Lagerschalenteil 4 weist zudem eine Anlagefläche 10 auf, die konisch ausgeführt ist. Diese Anlagefläche 10 korrespondiert mit einer konischen Anlagefläche der Innenoberfläche 11 des Gehäuses 1. Die Anlagefläche 10 des Lagerschalenteiles 4 liegt dabei unmittelbar an dieser Innenoberfläche 11 des Gehäuses 1 an . In dem Lagerschalenteil 4 sind zudem Schlitze 17 vorhanden, die die Elastizität des Lagerschalenteils 4 verbessern.

Im Übergangsbereich zwischen der Gelenkkugel 3 und einem Zapfenabschnitt 13 des Kugelzapfens 2 weist dieser einen Kugelzapfenhals 12 auf. Der Kugelzapfenhals 12 ist verglichen mit dem Zapfenabschnitt 13 in seinem Querschnitt reduziert und verfügt über eine nutartige, geschwungene Kontur.

Zur Abdichtung der inneren Gelenkbauteile gegen das Eindringen von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit verfügt das Kugelgelenk über einen Dichtungsbalg 14. Dieser ist mittels eines Spannringes 15 an der Außenoberfläche des Gehäuses 1 befestigt. Das gegenüberliegende Ende des Dichtungsbalges 14 wird mit einem Spannring 16 am Zapfenabschnitt 13 des Kugelzapfens 2 festgelegt. Da es sich bei dem dargestellten Kugelgelenk um ein Axialgelenk handelt, weist dieses zur Befestigung in einem Kraftfahrzeug einen Gehäusezapfen 18 auf, der sich am Gehäuse 1 auf der dem Zapfenabschnitt 13 gegenüberliegenden Seite des Kugelgelenkes befindet und ein Anschlussgewinde aufweisen kann.

Die Figur 2 zeigt einen Stadienplan, bestehend aus den einzelnen Phasen a, b und c zur Herstellung eines Lagerschalenteiles 5. Danach wird zunächst ein Lagerschalenrohling aus einem metallischen Band oder Blechstreifen 7 hergestellt. Dieser weist eine rechteckige Geometrie auf, wie dies aus dem Bildteil a) der Figur 2 hervorgeht.

In einem weiteren, im Bildteil b) in Figur 2 gezeigten Fertigungsschritt werden im Anschluss daran in den Blechstreifen 7 mit gleichem Abstand zueinander Bohrungen 20 eingebracht. Mittels eines Platinenschnittes oder Stanzen erfolgt dann die Einbringung von Ausnehmungen oder Ausklinkungen 19 auf einer Seite des Blechstreifens 7, das somit einseitig eine zacken- oder zahnartige Kontur erhält. Im Bildteil b der Figur 2 ist ferner ein Pfeil A gezeigt, der die sich anschließende Umformung des Blechstreifens 7 zu einem Lagerschalenteil 5 andeutet. Dieser Umformvorgang erfolgt im vorliegenden Fall durch ein Rollverfahren. Das Rollwerkzeug ist aus Vereinfachungsgründen hierbei nicht dargestellt.

Im Bildteil c) der Figur 2 ist beispielhaft ein Lagerschalenteil 5 im Schnitt gezeigt, wie es im fertig gestellten Zustand aussehen kann. Dieses weist die übliche Kontur der Lagerschale eines Kugelgelenkes auf.

In der Figur 3 ist eine erste Ausführungsvariante eines

Lagerschalenteiles 5 gezeigt. Die Besonderheit des in Figur 3 teilweise im Schnitt dargestellten Lagerschalenteils 5 besteht darin, dass dieses einen Blechstreifen Band 7 aufweist, das an seiner Innen- und seiner Außenmantelfläche vollständig von einer KunststoffSchicht 8 umhüllt ist.

Im Unterschied zur Darstellung in Figur 3 verfügt die Lagerschale nach der Figur 4 über nur eine KunststoffSchicht 8. Diese ist mit dem Blechstreifen 7 verbunden und an der Innenseite des Lagerschalenteils 5 vorhanden .

Bei einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Lage von Blechstreifen 7 und KunststoffSchicht umgekehrt erfolgen.

Der Abstand 22 zeigt in der Figur 4 den Abstand der Enden der Zacken oder Zähne im Einbauzustand.

Be zugs zeichenliste

Gehäuse

Kugelzapfen

Gelenkkugel

Lagerschalenteil

Lagerschalenteil

Lagerschale

Metallisches Band/Schicht, Blechstreifen (Lagerschalenrohling)

KunststoffSchicht

Spaltabstand, Abstand, Trennfuge

Anlagefläche

Innenoberfläche des Gehäuses

Kugel zapfenhals

Zapfenabschnitt mit Anschlussgewinde

Dichtungsbalg

Spannring

Spannring

Schlitz

Gehäusezapfen

Ausnehmung, Ausklinkung

Bohrung

Zacken, Zähne

Abstand