Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeugs, mit einem wenigstens einseitig offenen Gehäuse, in dessen Innenraum eine Lagerschale eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnimmt.

Aus der DE 43 06 006 Al ist ein Kugelgelenk mit einem ringförmigen Gehäuse und einer darin eingesetzten Lagerschale bekannt, in welcher ein Kugelzapfen gelagert ist. Die Lagerschale weist dabei an ihrem äußeren Umfang eine Kontur auf, die zur Sicherung gegen Rotationsbewegungen um die Kugelzapfen-Mittelachse in eine komplementäre Kontur des Gehäuseinnendurchmessers eingreift.

Bei Kugelgelenken aus dem Stand der Technik kommt es jedoch vor, dass sich die Kontur der Lagerschale mit zunehmendem Gebrauch des Kugelgelenks von der komplementären Kontur des Gehäuses löst, so dass die Verdrehsicherung ausfallen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kugelgelenk der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Verdrehsicherung gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach einer ersten Variante mit einem Kugelgelenk mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und nach einer zweiten Variante mit einem Kugelgelenk mit den Merkmalen nach Anspruch 11 gelöst.

Gemäß der ersten Variante wird ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeugs geschaffen, mit einem wenigstens einseitig offenen Gehäuse, in dessen Innenraum eine Lagerschale eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnimmt, wobei der Innenraum entlang seiner Innenmantelfläche Erhebungen aufweist, welche in die Lagerschale formschlüssig eingreifen. Dabei sind die Erhebungen als Dreieckstege ausgebildet.

Bei der erfindungsgemäßen Lagerschale ist ein Verdrehen sicher verhindert, denn es hat sich gezeigt, dass ein Loswackeln der Schale vom Gehäuse nicht auftritt. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk kann im Serienprozess kostengünstig hergestellt werden, wobei eine Verbesserung der Verdrehsicherung gegenüber dem Stand der Technik gegeben ist.

Die Dreieckstege können schräg zur Längsmittenachse, z. B. entlang einer Zick-Zack- Linie verlaufen. Vorzugsweise erstrecken sich die Dreieckstege aber parallel zur Längsmittenachse des Gehäuses, wodurch eine besonders einfache Montage des Kugelgelenks durch Eindrücken der Lagerschale in den Innenraum unter plastischer Verformung von deren Außenmantelfläche möglich ist.

Die Dreieckstege können sich nur über einen Teil der Länge der Innenmantelfläche des Gehäuses erstrecken, bevorzugt erstrecken sich die Dreieckstege aber über die gesamte Länge der Innenmantelfläche des Gehäuses. Hierdurch können besonders große Momente zwischen Lagerschale und Gehäuse übertragen werden.

Die Dreieckstege können im Querschnitt die Form eines schiefwinkligen Dreiecks aufweisen. Bevorzugt werden jedoch die Dreieckstege jeweils mit zwei gleichen Schenkelflächen gebildet, wobei die Winkelhalbierende des zwischen den beiden gleichen Schenkelflächen eingeschlossenen Winkels durch die Längsmittenachse des Lagers verläuft. Gemäß dieser Ausgestaltung ist gewährleistet, dass die Verdrehsicherung hinsichtlich beider um die Längsmittenachse möglichen Drehrichtungen gleichermaßen wirkt.

Die radiale Höhe der Dreieckstege kann dem Einsatz und der Belastung des Kugelgelenks gemäß variiert werden. Eine besonders gute Verdrehsicherung ist aber erreicht worden, wenn die radiale Höhe der Dreieckstege gleich dem Produkt aus der Schalendicke der Lagerschale und der Streckdehnung des für die Lagerschale verwendeten Materials ist.

Bevorzugt ist von den beiden gleichen Schenkelflächen jedes Dreiecksteges ein rechter Winkel eingeschlossen. Ein größerer Öffnungswinkel könnte ein Abgleiten der Lagerschale von den Dreieckstegen fördern, wohingegen ein kleinerer Winkel die Kerbempfindlichkeit des Materials der Lagerschale erhöhen könnte. Dennoch sind natürlich andere Öffnungswinkel möglich, sofern Einsatz und Belastung des Kugelgelenks dies zulassen.

Prinzipiell ist eine beliebige Anzahl nsteg von Dreieckstegen möglich, um die erfindungsgemäße Verdrehsicherung auszubilden. Es hat sich aber gezeigt, dass diese Anzahl nsteg optimal wird, wenn sie größer oder gleich dem geradzahlig aufgerundeten Quotienten aus dem maximal zu übertragendem Moment Mtmax und dem Produkt aus der Fläche der Stege Asteg, der Scherfestigkeit σsmax des Lagerschalenmaterials und dem effektiven Lagerschalenradius r ist. Somit ergibt sich:

nsteg » Mtmax / ( Asteg * σSmax * T )

Dabei erstreckt sich der effektive Lagerschalenradius r ausgehend vom Kugelmittelpunkt bis zu einem Bereich zwischen dem Innenrand und dem Außenrand der Lagerschale, wobei der Radius bis zum Innenrand der Lagerschale mit rinnen und der Radius bis zum Außenrand der Lagerschale mit rAußen bezeichnet wird. Somit gilt für den effektiven Lagerschalenradius r folgende Beziehung:

rinnen ≤ V ≤ rAußen,

wobei der optimale Wert von r davon abhängig ist, bis zu welcher Tiefe die Dreieckstege in die Lagerschale eingreifen. Ein guter Wert für r hat sich ergeben, wenn r = rAußen gewählt wird.

Bevorzugt ist die Lagerschale aus Kunststoff, insbesondere aus Polyoxymethylen hergestellt, wobei die Lagerschale unter plastischer Verformung ihrer Außenumfangsfläche in das Gehäuse eingebracht werden kann, sofern die Lagerschale vor der Montage noch nicht mit den Vertiefungen versehen ist, in welche die Dreiecksstege in zusammengebautem Zustand des Kugelgelenks eingreifen.

Prinzipiell kann ein Spalt zwischen der Außenumfangsfläche der Lagerschale und der Innenmantelfläche des Gehäuses vorhanden sein. Bevorzugt weist die Lager¬ schale aber ein geringes Übermaß hinsichtlich der Innenmantelfläche des Gehäuses auf, so dass sie unter leichtem radialem Druck in dem Gehäuse sitzt. Hierdurch kann der Luftspalt vermieden und somit ein Eindringen von Schmutz verhindert werden.

Gemäß der zweiten Variante der Erfindung wird ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Pendelstütze eines Kraftfahrzeugs geschaffen, mit einem wenigstens einseitig offenen Gehäuse, in dessen Innenraum eine Lagerschale eingesetzt ist, die ihrerseits eine Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnimmt, wobei der Innenraum entlang seiner Innenmantelfläche Vertiefungen aufweist, in welche die Lagerschale formschlüssig eingreift. Die Vertiefungen sind dabei als Hinterschnitte ausgebildet.

Auch nach dieser Variante ist ein Loswackeln der Lagerschale vom Gehäuse verhindert, wodurch eine besonders gute und dauerhafte Verdrehsicherung ausgebildet ist. Wie bei der ersten Variante lässt sich das Kugelgelenk nach der zweiten Variante kostengünstig in einem Serienprozess herstellen.

Die Hinterschnitte können schräg zur Längsmittenachse, z. B. entlang einer Zick- Zack- Linie verlaufen. Vorzugsweise erstrecken sich die Hinterschnitte aber parallel zur Längsmittenachse des Gehäuses, wodurch eine besonders einfache Montage des Kugelgelenks möglich ist.

Prinzipiell können sich die Vertiefungen über die gesamte Länge der Innenmantelfläche des Gehäuses erstrecken. Eine ausreichende Verdrehsicherung stellt sich aber schon ein, wenn sich die zu einer Stirnseite des Gehäuses hin offenen Vertiefungen nur über einen Teil der Länge der Innenmantelfläche erstrecken. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vertiefungen hinsichtlich eines Längsschnitts des Gehäuses ein rechteckiges oder dreieckiges Profil aufweisen. Die Lagerschale ist bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere aus Polyoxymethylen hergestellt, wobei die Lageschale durch Ultraschallverformung in die Vertiefung eingeformt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelgelenks im teilmontierten Zustand;

Fig. 2: einen Längsschnitt der Ausführungsform nach Fig. 1 im fertig montierten Zustand;

Fig. 3: einen Querschnitt des Gehäuses nach der ersten Ausführungsform gemäß der ersten Variante der Erfindung;

Fig. 4: den Querschnitt eines Dreiecksteges nach Fig. 3;

Fig. 5: den Längsschnitt des Gehäuses nach Fig. 3 entlang der Schnittfläche A-A';

Fig. 6: den Querschnitt des Gehäuses nach Fig. 3 mit eingesetztem Kalibierwerkzeug;

Fig. 7: den Querschnitt eines Gehäuses nach einer zweiten Ausführungsform gemäß der zweiten Variante der Erfindung;

Fig. 8: die vergrößerte Darstellung eines Hinterschnitts nach Fig. 7 mit einem darin eingreifenden Vorsprung der Lageschale und Fig. 9: einen Längsschnitt durch das Gehäuse nach Fig. 7 entlang der Schnittfläche B-B', wobei zwei Untervarianten für das Profil des Hinterschnitts dargestellt sind.

Gemäß Fig. 1 ist in ein ringförmiges Gehäuse 1 eine Lagerschale 2 eingesetzt, in welcher ein einen Zapfen 3 und eine Gelenkkugel 4 aufweisender Kugelzapfen 5 gleitbeweglich gelagert ist. Dabei erstreckt sich der Kugelzapfen 5 durch eine in der Lagerschale 2 vorgesehene Öffnung 6 aus dem Kugelgelenk heraus und kann um die Längsmittenachse 7 des Kugelgelenks gedreht sowie quer zu dieser um einen Schwenkpunkt in der Gelenkkugel 4 geschwenkt werden. Im Bereich der Öffnung 6 liegt die Lagerschale 2 über eine Außenschulter 8 an einer Stirnseite des Gehäuses 1 an, wohingegen an dem der Außenschulter 8 abgewandten Ende der Lagerschale 2 ein Ringbund 9 aus dem Gehäuse 1 herausragt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Ringbund 9 zur axialen Fixierung der Lagerschale 2 im Gehäuse 1 durch Materialverformung radial nach außen umgelegt worden ist, wobei das Umlegen bevorzugt unter Anwendung des Verfahrens der Ultraschallverformung durchgeführt wird. Das Kugelgelenk gemäß dieser Ausführungsform ist zur Übertragung eines maximalen Moments Mtmax zwischen Gehäuse 1 und Lagerschale 2 von 15 Nm ausgelegt, wobei die aus POM hergestellte Lagerschale eine Schalendicke Sd von 1,5 mm und eine Streckdehung εs von ca. 10% aufweist. Eine andere Ausführungsform kann aber auch zur Übertragung eines maximalen Moments Mtmax zwischen Gehäuse 1 und Lagerschale 2 von 20 Nm ausgelegt sein.

Das Gehäuse 1 ist einstückig mit einem ersten Kraftfahrzeugteil 10 ausgebildet, wobei am Zapfen 3 ein Gewindebereich 11 zum Befestigen eines zweiten Kraftfahrzeugteils vorgesehen ist. Um ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das Innere des Kugelgelenks zu verhindern, ist zwischen dem Kugelzapfen 5 und der Lager schale 2 eine Dichtung 12 aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere aus Gummi vorgesehen, wobei diese Dichtung 12 aber auch zwischen dem Kugelzapfen 5 und dem Gehäuse 1 angeordnet werden kann.

In Fig. 3 sind die gemäß der ersten Variante der Erfindung vorgesehenen Dreieckstege 13 dargestellt, die an der Innenmantelfläche des Gehäuses 1 ausgebildet sind. Die Dreieckstege 13 erstrecken sich parallel zur Längsmittenachse 7 über die gesamte Länge Ig des Gehäuses 1 (siehe Fig. 1 und 5), welche gemäß dieser Ausführungsform 10 mm beträgt.

Der Querschnitt eines Dreieckstegs 13 ist in vergrößerter Darstellung aus Fig. 4 ersichtlich, wobei zwischen den beiden gleichen Schenkelflächen 14 und 15 des Dreieckstegs 13 ein Winkel α mit α = 90° eingeschlossen ist. Die Winkelhalbierende 16 des Winkels α verläuft durch die Mittenlängsachse 7 des Kugelgelenks, wobei der Dreiecksteg 13 eine radiale Höhe hd von 0,15 mm aufweist, welche sich aus dem Produkt von Schalendicke Sd (1,5 mm] und Streckdehnung εs (10%) ergibt.

Regelmäßig muss das Kugelgelenkgehäuse 1 nach seiner Herstellung kalibriert werden, das heißt, auf den richtigen Durchmesser erweitert werden. Hierfür wird ein aus Fig. 6 ersichtliches und aus mehreren Segmenten 17 zusammengesetztes Kalibierwerkzeug 18 verwendet. Das Kalibierwerkzeug 18 weist in seiner Mitte eine durchgehende Bohrung 19 auf, durch welche ein konischer Dorn (nicht dargestellt) zum radialen Auseinanderdrücken der Segmente 17 getrieben werden kann. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass die Dreieckstege 13 zerstört werden können. Aus diesem Grund kann das Kalibierwerkzeug 18 derart ausgebildet werden, dass es die Innenmantelfläche des Gehäuses 1 nur an bestimmten Stellen berührt, so dass nur an diesen Stellen verlaufende Dreieckstege 13 zerstört werden können. Gemäß Fig. 6 berührt das Kalibrierwerkzeug 18 die Innenmantelfläche des Gehäuses 1 an acht Stellen, so dass auch nur acht der hier vorhandenen sechzehn Dreieckstege 13 beim Kalibrieren zerstört werden können. Für den Fall, dass im kalibrierten Gehäuse 1 sechzehn Dreieckstege vorhanden sein sollen, müssen demnach sicherheitshalber vierundzwanzig Dreieckstege 13 vor dem Kalibrieren im Gehäuse 1 ausgebildet werden.

Selbstverständlich können die Anzahl der Dreieckstege 13 und die Anzahl der Anlagestellen des Kalibrierwerkzeugs 18 am Gehäuse 1 variiert werden. Optimal sind hier aber sechzehn Dreieckstege nach dem Kalibrieren bei einem effektiven Lagerschalenradius von r = 9,5 mm.

Im Anschluss an das Kalibrieren wird die mit einem geringen Übermaß hinsichtlich der Innenumfangsfläche des Gehäuses 1 ausgebildete Lagerschale 2 in das Gehäuse 1 eingebracht, so dass sich die Dreieckstege 13 unter plastischer Verformung der Außenumfangsfläche der Lagerschale 2 in diese eingraben. Hierdurch wird eine besonders wirksame Verdrehsicherung der Lagerschale 2 gegenüber dem Gehäuse 1 ausgebildet, wobei wegen eines geringen Übermaßes der Lagerschale 2 vor der Montage ferner ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in den Bereich zwischen Lagerschale 2 und Kugelgelenkgehäuse 1 verhindert ist.

Aus Fig. 7 ist ein Querschnitt eines Gehäuses 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der zweiten Variante der Erfindung ersichtlich, wobei für gleiche oder ähnliche Merkmale dieselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet werden. Ferner entspricht auch die zweite Ausführungsform einem Kugelgelenk gemäß den Fig. 1 und 2, wobei allerdings entlang der Innenmantelfläche des Gehäuses 1 keine Dreieckstege sondern insgesamt sechzehn sich parallel zur Längsmittenachse 7 erstreckende Hinterschnitte 20 vorgesehen sind, in welche die Lagerschale 2 zum Ausbilden der Verdrehsicherung eingreift.

Eine vergrößerte Ansicht eines derartigen Hinterschnittes 20 ist aus Fig. 8 ersichtlich, wobei die Lagerschale 2 mit einem Vorsprung 21 in diesen Hinterschnitt 20 eingreift. Die Hinterschnitte 20 sind zu einer Stirnseite des Gehäuses 1 hin offen und erstrecken sich nicht über die gesamte Länge Ig der Innenmantelfläche des Gehäuse 1, sondern nur über eine Teillänge It, was in Fig. 9 dargestellt ist. Die Verdrehsicherung zwischen Lagerschale 2 und Gehäuse 1 wird nun derart ausgebildet, dass der im teilmontierten Zustand aus dem Gehäuse 1 herausragende Ringbund 9 der Lagerschale 2 über ein Umformverfahren radial nach außen umgelegt und dabei gleichzeitig in die Hinterschnitte 20 eingeformt wird. Insbesondere wird dafür ein Ultraschallumformverfahren verwendet, wobei das Material der Lagerschale 2 erwärmt wird. Nach dem Umformen kommt es während des Abkühlens des Lagerschalenmaterials zu einer sogenannten Mate riaisch Windung, welche dazu führt, dass sich die in die Hinterschnitte 20 eingeformten Vorsprünge 21 der Lagerschale 2 radial nach innen gegen die Seitenwände 22 und 23 der Hinterschnitte 20 ziehen, wodurch eine dauerhaft gute Verdrehsicherung der Lagerschale 2 gegenüber dem Gehäuse 1 ausgebildet wird.

Wie in Fig. 9 schematisch dargestellt, können dabei die Hinterschnitte 20 hinsichtlich eines Längsschnitts des Gehäuses (1) entlang der aus Fig. 7 ersichtlichen Schnittfläche B-B' ein rechteckiges Profil (24) oder ein dreieckiges Profil (25) aufweisen. Obwohl gemäß dieser Ausführungsform nur sechzehn Hinterschnitte 20 dargestellt sind, hat sich eine besonders gute Verdrehsicherung bei der Ausbildung von vierundzwanzig Hinterschnitten ergeben.

Analog zur ersten Variante kann auch nach der zweiten Variante der Erfindung die Lagerschale 2 vor der Montage mit einem geringen Übermaß hinsichtlich der Innenumfangsfläche des Gehäuses 1 ausgebildet sein, so dass ein Eindringen von Schmutz und Wasser in den Bereich zwischen Lagerschale 2 und Gehäuse 1 verhindert werden kann.

Beide Varianten der Erfindung verhindern ein sogenanntes Loswackeln der Lagerschale 2 vom Gehäuse l. Bei der ersten Variante kann die Lager schale in das Innere des Gehäuses 1 unter plastischer Verformung ihrer Außenumfangsfläche eingebracht werden. Da diese Verformung ohne besondere Materialerwärmung erfolgen kann, ist eine Schwindung des Lagerschalenmaterials vermeidbar, welche ein Loswackeln der Lagerschale 2 begünstigen könnte. Ferner ist kein Übermaß des Außendurchmessers der Lagerschale 2 gegenüber dem Innendurchmesser des Gehäuses 1 erforderlich. Ein geringes Übermaß kann aber vorteilhaft sein, um einen Dichtungseffekt zwischen Lagerschale 2 und Gehäuse 1 zu erzielen. Deshalb kann die Lagerschale 2 ohne oder mit nur sehr geringer radialer Vorspannung in das Gehäuse 1 eingebracht werden, so dass die unerwünschten Wirkungen einer großen radialen Vorspannung vermeidbar sind, welche die Reibmomente des Kugelzapfens in der Lagerschale negativ beeinflussen können. Ferner ist eine solche große radiale Vorspannung aufgrund des Verhaltens des Kunststoffes zeitabhängig, so dass sich allein aufgrund der hohen Vorspannung eine Zeitabhängigkeit der Reibmomente des Kugelzapfens einstellen kann. Auch dieser negative Effekt kann mit dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk vermieden werden. Bei der zweiten Variante ziehen sich die Vorsprünge 21 der Lagerschale 2 aufgrund der Schwindung des Lagerschalenmaterials nach dem Umformen fest in die Hinterschnitte 20 hinein, so dass der Effekt der Schwindung hier nicht zum Verschlechtern sondern zum Verbessern der Verdrehsicherung beiträgt. Bezugszeichenliste

Gehäuse Lagerschale Zapfen Gelenkkugel Kugelzapfen Öffnung in der Lagerschale Längsmittenachse Außenschulter Ringbund erstes Kraftfahrzeugteil Gewinde Dichtungsbalg Dreiecksteg erste Schenkelfläche des Dreieckstegs zweite Schenkelfläche des Dreieckstegs Winkelhalbierende Segmente des Kalibrierwerkzeugs Kalibrierwerkzeug Bohrung in Kalibrierwerkzeug Hinterschnitt Vorsprung der Lagerschale erste Seitenwand des Hinterschnitts zweite Seitenwand des Hinterschnitts rechteckiges Profil dreieckiges Profil Ig Länge des Gehäuses hd radiale Höhe der Dreieckstege Sd Dicke der Lagerschale r effektiver Lagerschalenradius α Winkel It Länge des Hinterschnitts (Teillänge)