Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks und danach hergestelltes Gelenk

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks. Sie bezieht sich im Weiteren auf ein nach dem Verfahren hergestelltes Kugelgelenk, wobei erfindungsgemäß insbesondere dessen Gelenkschale beziehungsweise Lagerschale in besonderer Weise ausgebildet ist.

Kugelgelenke übertragen und nehmen Kräfte aus mehreren Richtungen auf. Sie werden beispielsweise im Fahrzeugbau im Bereich der Lenkung beziehungsweise der Spurstange eingesetzt. Gattungsgemäße Lager bestehen im Wesentlichen aus einem Gelenkzapfen, an dessen einen Ende eine Kugel ausgebildet ist, einer die Kugel des Zapfens aufnehmenden Schale sowie einem die Schale und Teile des Kugelzapfens aufnehmenden Gelenkgehäuse. Die Kugel des Kugelzapfens gleitet in der vorgespannten, dauergeschmierten Schale, welche durch das Gehäuse gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung geschützt ist. Das Gelenkgehäuse ist zudem an seiner zur Aufnahme des Zapfens offenen Seite durch einen Dichtungsbalg zusätzlich gegen Verschmutzung sowie gegen ein Austreten des Schmiermittels geschützt. Eine vielfach außerdem vorgesehene rückseitige öffnung des Gelenkgehäuses ist durch einen Verschlussdeckel verschlossen. üblicherweise werden die vorgenannten Gelenkkomponenten getrennt gefertigt und anschließend in einem Montageprozess zu einem Gelenk zusammengefügt. Dies ist jedoch im Hinblick auf den Montage aufwand als nachteilig anzusehen.

Durch die DE 195 13 714 Cl ist daher bereits ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die Gelenkschale auf die Kugel des Gelenkzapfens aufgesetzt und die komplette hierdurch gegebene Anordnung zur Fixierung der Komponenten und zur Bildung eines Gelenkgehäuses umspritzt wird. Bei der in der Druckschrift beschriebenen Vorgehensweise besteht jedoch die Gefahr, dass die Gelenkschale durch den Druck beim Umspritzen mit dem Gehäuse derart auf die Gelenkkugel gedrückt wird, dass sie vollflächig an dieser anliegt. Eine zu große Anlagefläche führt jedoch in nachteiliger Weise dazu, dass das Dreh- und Kippmoment unerwünscht ansteigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches eine einfache Fertigung eines komplett montierten Kugelgelenks ermöglicht und in dessen Ergebnis ein funktionssicheres Kugelgelenk mit einem niedrigen Reibmoment sowie einem niedrigen Dreh- und Kippmoment entsteht, bei dem eine hinreichende Schmierung der Gleitflächen des Kugelgelenks und der Gelenkschale beziehungsweise Lagerschale sichergestellt ist. Weiterhin soll ein mit diesem Verfahren herstellbares Kugelgelenk beschrieben werden.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ein die Aufgabe lösendes Kugelgelenk wird durch den ersten Sachanspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.

Sowohl das zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Verfahren als auch das damit herstellbare Kugelgelenk beziehen sich auf ein Kugelgelenk grundsätzlich bekannter Art. Dieses besteht aus einem Gelenkzapfen mit einer an einem Ende des Gelenkzapfens ausgebildeten Gelenkkugel, einem diese Gelenkkugel aufnehmenden, einseitig offenen Gelenkgehäuse, einer dauergeschmierten, zwischen der Gelenkkugel und dem Gelenkgehäuse angeordneten, im Wesentlichen sphärischen

Gelenkschale und aus einem die offene Seite des Gelenkgehäuses, im Bereich des übergangs zwischen der Gelenkkugel und dem aus dem Gelenkgehäuse heraus ragenden Schaft des Gelenkzapfens, verschließenden Dichtungsbalg. Das entsprechende Kugelgelenk wird dabei in der Weise hergestellt, dass das Gelenkgehäuse in einem Spritz- oder Gussverfahren (zum Beispiel Druckguss) erzeugt wird, bei dem die Gelenkkugel mit der aufgesetzten Lagerschale von einem metallischen Material oder einem Kunststoff umgeben wird. Erfindungsgemäß wird jedoch die grundsätzlich sphärische Ausbildung der Gelenkschale geringfügig modifiziert. Dazu wird die Gelenkschale in mindestens einem Bereich mit einer Ausformung versehen, welche sich gegenüber dem beim Spritz- oder Gießvorgang wirkenden Druck elastisch verhält und sich nach dem Abschluss des Spritz- oder Gießvorgangs gegenüber der ansonsten sphärischen Form der Gelenkschale beziehungsweise Lagerschale geringfügig nach außen wölbt. Dadurch wird erreicht, dass die Gelenkschale nach dem Spritz- oder Gussprozess nicht vollflächig auf der Gelenkkugel aufliegt. Zur Herstellung des Kugelgelenks wird die in der vorbeschriebenen Weise ausgebildete Gelenkschale auf die Gelenkkugel des Gelenkzapfens aufgesetzt und mit diesem gemeinsam umspritzt. In einem dem Spritz- oder Gussprozess nachgeschalteten Montageprozess wird schließlich das Dichtsystem mit dem Dichtungsbalg ergänzt.

Durch die Verhinderung eines vollflächigen Kontaktes zwischen Gelenkschale und Gelenkkugel werden beim Einsatz des Kugelgelenks das Reibmoment zwischen Gelenkschale und Kugelgelenk sowie das Dreh- und Kippmoment begrenzt. Hierdurch werden gute Laufeigenschaften des Kugelgelenks und eine hohe Standfestigkeit seiner Komponenten sichergestellt. In vorteilhafter Weise kann bei einem Kugelgelenk mit metallischem Gelenkgehäuse im Zuge eines Gießvorgangs eine metallische überdeckung zwischen der Gelenkkugel und dem Gelenkgehäuse realisiert werden. Dabei ist das Gelenkgehäuse so ausgebildet, dass es sich nahezu

bis zum übergang zwischen der Gelenkkugel und dem Schaft des Gelenkzapfens erstreckt, wobei der Durchmesser des Gelenkgehäuses im Bereich seiner von dem Gelenkzapfen durchragten öffnung geringer ist, als der Durchmesser der Gelenkkugel. Aufgrund der hierdurch gegebenen metallischen überdeckung erhöht sich in vorteilhafter Weise die Ausreißfestigkeit des Gelenkzapfens.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Gelenkgehäuse mit einem Schaft versehen, in dem ein entsprechend geformtes Rohr oder eine Stange im Zuge der Erzeugung des Gelenkgehäuses mit umspritzt wird. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, beim Spritzen oder Gießen lediglich einen Schaftstummel an dem Gelenkgehäuse zu erzeugen und ein mit ihm zu verbindendes Rohr oder eine Stange durch Kalt- oder Warmeinschlag anzubringen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk ist an der Gelenkschale im Bereich des Pols der Gelenkkugel eine sich nach außen wölbende Erhebung ausgebildet. Dabei besteht die Gelenk- beziehungsweise Lagerschale aus einem Kunststoff, der zumindest im Bereich dieser Auswölbung elastisch verformbar ist. Bei dem zur Erzeugung des Gelenkgehäuses erfolgenden Spritz- oder Gießvorgang wird die elastisch verformbare Auswölbung der zuvor auf die Gelenkkugel aufgesetzten Lagerschale auf die Oberfläche der Gelenkkugel gedrückt. Durch die spezielle Formgebung und die Wahl eines entsprechenden, elastischen Materials, wie beispielsweise Polyoximethylen, Polyamid, Polyphenylensulfid oder Polyphtalamid, wölbt sich jedoch die besagte Ausformung nach der Beendigung des Spritz- oder Gießvorgangs zumindest teilweise wieder nach außen. Hierdurch verbleibt zumindest im Bereich der Ausformung zwischen der Innenkontur der Gelenkschale und der Gelenkkugel ein Spalt. Somit ist ein vollflächiger Kontakt zwischen Lagerschale und Gelenkkugel vermieden, wodurch eine Reduzierung des Reibmoments sowie des Dreh- und Kippmoments erreicht wird. Entsprechend einer

bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Kugelgelenks weist die Gelenkschale zudem im Bereich der sich nach außen wölbenden Ausformung auf ihrer Innenfläche eine Verrippung auf. Diese ist für den Fall vorgesehen, dass aufgrund von Toleranzen bezüglich des beim Spritz- beziehungsweise Gießvorgang herrschenden Drucks oder von Toleranzen bezüglich Material und Form der Gelenkschale, die Auswölbung nach dem Abschluss des Spritz- beziehungsweise Gussprozesses im Einzelfalle ausnahmsweise doch nicht zurückfedert. In diesem Fall ist durch die Verrippung sichergestellt, das die Gelenkschale dennoch nicht vollflächig auf der Gelenkkugel aufliegt.

Die angesprochene Verrippung kann in geometrischer Hinsicht unterschiedlich gestaltet sein. Entsprechend einer vorgesehenen Möglichkeit erstrecken sich, ausgehend von dem Pol der im Wesentlichen sphärischen Geometrie, mehrere Rippen strahlenförmig auf der Innenfläche des nach außen gewölbten Bereichs der Gelenkschale, wobei quer dazu mehrere zueinander sowie zum Kugeläquator der Gelenkkugel parallel angeordnete Rippen verlaufen. Bei einer anderen Ausbildungsform weist die Gelenkschale auf ihrer Innenfläche im Bereich der sich nach außen wölbenden Ausformung eine Mehrzahl von Rippen auf, welche sich, bezogen auf eine Flächenprojektion der sphärischen Oberfläche, im rechten Winkel schneiden.

Vorzugsweise weist die Kugelschale außerdem auf ihrer Außenfläche mehrere längs verlaufende rippenförmige Abschnitte auf, durch welche eine Verdrehsicherung gebildet ist. Durch diese wird eine Verdrehung der Gelenkschale in dem Gelenkgehäuse verhindert.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist im Bereich der öffnung des Gelenkgehäuses zwischen dem Gelenkgehäuse und der Gelenkschale ein Ring

eingelegt, dessen aus der öffnung des Gelenkgehäuses herausragender Abschnitt den Balgsitz für den Dichtungsbalg ausbildet. Hierdurch wird, im Falle eines metallischen Gelenkgehäuses, in vorteilhafter Weise die metallische überdeckung zwischen dem Gelenkgehäuse und der Gelenkkugel weiter erhöht.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Eine erste Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Kugelgelenks mit einem rohrförmigen Schaft Fig. 2: Ein mit der Ausbildungsform nach Fig. 1 vergleichbares Kugelgelenk, dessen Gehäuse mit einer Stange verbunden ist

Fig. 3: Eine weitere Ausbildungsform mit einem rohrförmigen Schaft Fig. 4: Eine Ausbildungsform mit einer im Bereich der Gehäuseöffnung zwischen

Gelenkschale und Gehäuse eingelegten Scheibe Fig. 5: Ausbildungsformen der Gelenkschale.

Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Kugelgelenks. Dieses besteht in an sich bekannter Weise aus einem Gelenkzapfen 3, 4, dessen Gelenkkugel 4 von einem Gelenkgehäuse 7 aufgenommen ist. Zwischen dem Gelenkgehäuse 7 und der Gelenkkugel 4 ist eine dauergeschmierte Gelenkschale 1, 1' angeordnet. Die dargestellte Ausbildungsform ist in der Weise erzeugt worden, dass die Gelenkschale 1, 1' auf die Gelenkkugel 4 aufgesetzt wurde und anschließend das Gelenkgehäuse 7 durch Umspritzen oder Umgießen der Gelenkschale 1, 1' und der Gelenkkugel 4 erzeugt wurde. In einem sich anschließenden Montagearbeitsgang wurde das Dichtsystem mit dem Dichtungsbalg 8 ergänzt.

Um zu verhindern, dass die Gelenkschale 1, 1' nach dem Umspritzungsvorgang vollflächig auf der Gelenkkugel 4 aufliegt, ist die Gelenkschale 1, V, dem Grundgedanken der Erfindung folgend, in spezieller Weise ausgebildet worden. Wie zu erkennen ist, weist sie im Bereich des Pols 5 der Gelenkkugel 4 eine sich nach außen wölbende Ausformung 1' auf. Zusätzlich dazu ist im Bereich dieser Auswölbung 1' auf der Innenfläche der Gelenkschale 1, 1' eine Verrippung 2 vorgesehen. Durch diese die Formgebung der Gelenkschale 1, 1' betreffenden Maßnahmen wird das vollflächige Aufliegen der Gelenkschale 1, 1' auf der Gelenkkugel 4 verhindert. Zwar wird die Gelenkschale 1, 1' beim Spritz- beziehungs weise Gießvorgang auf die Oberfläche der Gelenkkugel 4 gedrückt, jedoch wölbt sich die an der Gelenkschale 1, 1' vorgesehene Ausformung 1' nach der Beendigung des Spritz- beziehungsweise Gießvorgangs zumindest teilweise wieder nach außen. Sofern dieses gewünschte Ergebnis ausnahmsweise nicht eintritt, ist aber zumindest durch die auf der Innenkontur vorgesehene Verrippung 2 sichergestellt, dass eine Begrenzung des Reibmoments erreicht wird. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Kugelgelenk ist ein zur Verbindung mit weiteren Elementen vorgesehener Schaft 12 integraler Bestandteil des Gelenkgehäuses 7. Hierzu ist bei der Erzeugung des Gelenkgehäuses ein metallisches Rohr 13 mit umspritzt worden.

Die Fig. 2 zeigt eine grundsätzlich mit der Fig. 1 vergleichbare Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Kugelgelenks. Abweichend von der zuvor erläuterten Ausbildungsform ist hier jedoch anstelle eines Rohres 13 eine Stange 13' zur Erzeugung des Schaftes 12 mit umspritzt worden. Ebenso wie das Kugelgelenk gemäß Fig. 1 ist der Anlagebund des Kugelzapfens in Form eines Mehrkants 14 ausgebildet. Hierdurch wird die Servicefreundlichkeit des Bauteils verbessert. Um die dadurch gegebene Verringerung der Anlagefläche auszugleichen, ist unterhalb des Mehrkants 14 noch eine Scheibe 15 auf den Zapfen beziehungsweise Schaft 3 des Kugelzapfens 3, 4 aufgepresst.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere, mit den zuvor erläuterten Ausbildungsformen grundsätzlich ebenfalls vergleichbare Ausbildungsform. Hier ist jedoch zur Realisierung eines Schaftes an das Gelenkgehäuse 7 lediglich ein Stummel 12' angespritzt und dieser beispielsweise durch Kalteinschlag mit einem Rohr 13 verbunden worden.

Die Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks, bei welcher zwischen der Gelenkschale 1, 1' und dem Gelenkgehäuse 7 im Bereich ihrer öffnung ein zusätzlicher Ring 11 eingelegt und zumindest teilweise mit umspritzt wurde. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die überdeckung (im Falle eines metallischen Gelenkgehäuses 7 spricht man von der metallischen überdeckung) zwischen dem Gelenkgehäuse 7 und dem Kugelzapfen 4 vergrößert und damit dessen Ausreißfestigkeit weiter erhöht. Ebenso wie alle zuvor erläuterten Ausbildungsformen ist das Kugelgelenk durch einen nach dem Umspritzungs- beziehungsweise Gießvorgang aufgebrachten Dichtungsbalg 8 gegen Verschmutzung und gegen ein Austreten des Schmiermittels abgedichtet.

Die Fig. 5 zeigt mögliche Ausbildungsformen der Gelenkschale 1, 1' des erfindungsgemäßen Kugelgelenks. Die Gelenkschale 1, 1' weist entsprechend dem Erfindungsgedanken im Bereich des Pols 5' eine sich leicht nach außen wölbende Ausformung 1' auf. Ihre Innenfläche ist im Bereich dieser Ausformung durch eine Verrippung 2 konturiert. Beispiele für diese Verrippung 2 sind nebenstehend unter a) und b) angegeben. Bei der Verrippung 2 gemäß der Form a) erstrecken sich ausgehend vom Pol 5' strahlenförmig mehrere Rippen 2'. Quer zu diesen verlaufen mehrere zueinander und zum Kugeläquator parallele Rippen 2". Bei der Ausbildungsform gemäß b) ist eine Mehrzahl sich, bezogen auf eine Flächenprojektion der sphärischen Oberfläche der Gelenkschale 1, 1', im rechten Winkel kreuzender Rippen 2'" ausgebildet. Die gezeigten Rippenstrukturen sind

beispielhaft und in der Figur nur zur besseren Verdeutlichung getrennt von der Außenform der Gelenkschale 1, 1' dargestellt. Sie sind jedoch in jedem Falle einstückig mit der Gelenkschale 1, 1' ausgebildet. Die in der Figur dargestellte Gelenkschale 1, 1' weist zudem auf ihrer Außenfläche mehrere Rippen 10 oder Stege auf, welche als Verdrehsicherung dienen und ein Verdrehen der Gelenkschale 1, 1' in dem Gelenkgehäuse 7 verhindern.

Bezugszeichenliste

, 1' Gelenk- beziehungsweise Lagerschale

1' Ausformung

Verrippung

2', 2", 2'" Rippen

Schaft des Gelenkzapfens

Kugel des Gelenkzapfen

Pol der Gelenkkugel ' Pol der Gelenkschale

äquator der Gelenkkugel

Gelenkgehäuse

Dichtungsbalg

Spalt 0 (äußere) Rippen oder Stege 1 Ring 2 Schaft 2 Schaftstummel 3 Rohr 3' Stange 4 Mehrkant 5 Scheibe