DE102005007613A1

DE102005007613A1 - Gedämpftes Kugelgelenk

Info

Publication number: DE102005007613A1
Application number: DE200510007613
Authority: DE
Inventors: Hans-Gerd Öllers
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2005-09-15
Also published as: US20050191120A1; DE202004003017U1

Abstract

Ein gedämpftes Kugelgelenk umfaßt eine Schalenbuchse (30), in der eine Kugelschale (14) mit einem darin aufgenommenen Kugelzapfen (16) angeordnet ist, sowie eine außerhalb der Schalenbuchse (30) konzentrisch angeordnete Mantelbuchse (32) und einen zwischen der Schalenbuchse (30) und der Mantelbuchse (32) vorgesehenen Elastomerkörper (34). Der Elastomerkörper (34) weist wenigstens einen Anschlagabschnitt (38) auf. Der Anschlagabschnitt (38) liegt im unbelasteten Zustand des Kugelgelenks nicht gleichzeitig an der Außenwand der Schalenbuchse (30) und der Innenwand der Mantelbuchse (32) an.

Description

Die Erfindung betrifft ein gedämpftes Kugelgelenk mit einer Schalenbuchse, in der eine Kugelschale mit einem darin aufgenommenen Kugelzapfen angeordnet ist, einer außerhalb der Schalenbuchse konzentrisch angeordneten Mantelbuchse und einem zwischen der Schalenbuchse und der Mantelbuchse vorgesehenen Elastomerkörper.

Solche gedämpften Kugelgelenke werden in Fahrzeugen eingesetzt, insbesondere bei Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen wie Spurstangen und Stabilisatorkoppelstreben, wobei die Gelenke im Fahrbetrieb in Axial- und Radialrichtung wechselseitig auftretenden Belastungen ausgesetzt sind. Um diesen Belastungen entgegenzuwirken, werden derzeit überwiegend Dämpfer verwendet, die aus zylindrischen Gummi/Metall-Verbindungen bestehen. Die bei wechselseitiger Lastbeaufschlagung auf Schub beanspruchten Dämpfer sind im wesentlichen in Axialrichtung der entsprechenden Fahrzeugkomponente angeordnet, welche der Axialrichtung des Zapfenschafts des Kugelgelenks oder eines an das Kugelgelenk gekoppelten Axialgelenks entspricht. Um derart gestaltete Dämpfer baulich einzufügen, sind die Schäfte entsprechend voluminös ausgebildet, was zu Problemen mit umgebenden Bauteilen führen kann. Ein weiterer Nachteil ist die nicht unwesentliche Gewichtszunahme des Gelenks.

Aus der DE 93 18 586 U1 ist ein Kugelgelenk der eingangs genannten Art bekannt, bei dem eine Elastomerhülse zwischen einer Außenbuchse und einem Gehäuse des Kugelgelenks angeordnet ist. Zur Verbesserung der radialen Dämpfung ist die Elastomerhülse an mehreren Stellen mit Einschnitten versehen.

Die Erfindung schafft ein Kugelgelenk, das eine verbesserte Absorbierung bzw. Reduzierung von eingeleiteten Belastungen ermöglicht.

Bei einem Kugelgelenk der eingangs genannten Art wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Elastomerkörper wenigstens einen Anschlagabschnitt aufweist, der im unbelasteten Zustand des Kugelgelenks nicht gleichzeitig an der Außenwand der Schalenbuchse und der Innenwand der Mantelbuchse anliegt. So können insbesondere über die Schalenbuchse des Kugelgelenks eingeleitete radial wirkende Kräfte effektiv gedämpft werden. Wird das erfindungsgemäße Kugelgelenk in einem Lenksystem eingesetzt, können die im Fahrbetrieb über die Räder eingeleiteten Schwing- und Stoßbelastungen verringert werden, was zu einer Verschleißminderung der zwischengeschalteten Bauteile, einem weicheren Ansprechverhalten der Lenkung und somit zu einer Erhöhung des Lenkkomforts beiträgt.

Um eine zunächst lineare und bei steigender Belastung der Schalenbuchse des Kugelgelenks progressive Dämpfungscharakteristik zu erreichen, liegt der Anschlagabschnitt an der Außenwand der Schalenbuchse an und ist von der Innenwand der Mantelbuchse beabstandet.

Zur Verbesserung des Dämpfungsverhaltens bei Zug- und Druckbelastungen ist vorgesehen, daß der Elastomerkörper wenigstens zwei gegenüberliegende Anschlagabschnitte aufweist.

Bei Einleitung von Belastungen über einen Gelenkschaft des Kugelgelenks werden optimale Dämpfungsergebnisse dadurch erreicht, daß der bzw. die Anschlagabschnitte zur Längsachse des Gelenkschafts ausgerichtet sind.

Die Dämpfung in der durch den Kugelzapfen definierten Axialrichtung des Kugelgelenks kann durch eine an wenigstens einer der beiden Stirnseiten der Schalenbuchse vorgesehene umlaufende Elastomerschicht verbessert werden.

Der Zusammenbau des Kugelgelenks vereinfacht sich dadurch, daß die Schalenbuchse, die Mantelbuchse und der Elastomerkörper Teil eines vormontierten Dämpferlagers sind, das in einen Gelenkkopf des Kugelgelenks eingesetzt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine geschnittene Seitenansicht der Einzelteile eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks;
2 eine vergrößerte Draufsicht auf das Dämpferlager des Kugelgelenks;
3 eine Draufsicht auf den Gelenkkopf und den Gelenkschaft des Kuglegelenks;
4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des zusammengebauten, mit einem Axialgelenk verbundenen Kugelgelenks; und
5 ein Diagramm zur Darstellung des Dämpfungsverhaltens des Kugelgelenks bei Zug- bzw. Druckbelastung.
Das nachfolgend beschriebene Kugelgelenk besteht im wesentlichen aus den folgenden, in 1 dargestellten Komponenten: einem Verschlußdeckel 10, einer Blattfeder 12, einer Kugelschale 14, einem in der Kugelschale 14 aufgenommenen Kugelzapfen 16 mit einem Kugelkopf 18 und einem Zapfenschaft 20, einem Dämpferlager 22, einem Gelenkkopf 24 mit angeformtem Gelenkschaft 26 und einem Dichtelement 28.
Das Dämpferlager 22 ist aus einer Schalenbuchse 30 und einer – bezogen auf die durch die Längsachse des Zapfenschafts 20 definierte Längsachse X des Kugelgelenks – konzentrisch davon beabstandeten äußeren Mantelbuchse 32 aufgebaut. Zwischen der Schalenbuchse 30 und der Mantelbuchse 32 ist ein Elastomerkörper 34 angeordnet, der über zwei gegenüberliegende Haftabschnitte 36 jeweils fest mit der Außenwand der Schalenbuchse 30 und der Innenwand der Mantelbuchse 32 verbunden ist (siehe 2). Der Elastomerkörper 34 weist in Umfangsrichtung der Buchsen 30, 32 betrachtet versetzt zu den Haftabschnitten 36 zwei gegenüberliegende wulstförmige Anschlagabschnitte 38 auf, die von der Innenwand der Mantelbuchse 32 beabstandet sind. Die so in Umfangsrichtung zwischen den Haftabschnitten 36 gebildeten elastomerfreien Zwischenräume 40 stellen Funktionsbereiche dar, deren Wirkungsweise später erläutert wird.
Die Schalenbuchse 30 weist einen im wesentlichen zylindrischen Innenraum auf, der an einem stirnseitigen Ende in eine Kugelform mit einer Öffnung 41 für den Zapfenschaft 20 des Kugelzapfens 16 übergeht. Am anderen stirnseitigen Ende der Schalenbuchse 30 ist eine umlaufende radiale Lagernut 42 gebildet. An den beiden Stirnseiten der Schalenbuchse 30 ist jeweils eine umlaufende Elastomerschicht 44 vorgesehen.
Der Innenraum des Gelenkkopfes 24 ist durch eine mehrstufige Bohrung definiert und weist einen ersten Abschnitt 46 mit einem größeren und einen zweiten Abschnitt 48 mit einem kleineren Durchmesser auf, der in eine stirnseitige Durchlaßöffnung 49 für den Zapfenschaft 20 des Kugelzapfens 16 übergeht.
Beim Zusammenbau des Kugelgelenks wird zunächst eine aus der Kugelschale 14, dem Kugelzapfen 16 und einer Fettfüllung bestehende Baueinheit in den Innenraum der Schalenbuchse 30 eingesetzt. Über die vorgeformte Blattfeder 12, deren Schenkelenden unter Vorspannung in der Lagernut 42 fixiert sind, wird über den konvexen Mittelsteg der Blattfeder 12 ein axialer Druck auf die Kugelschale 14 ausgeübt, der die Dreh- und Kippmomente steuert und für ein Nachsetzen der Kugelschale 14 im Verschleißfall sorgt.
Das Dämpferlager 22 wird so auf die zwischen dem zweiten Abschnitt 48 und der Durchlaßöffnung 49 gebildete radiale Schulter der Stufenbohrung in den Gelenkkopf 24 eingesetzt, daß die Anschlagabschnitte 38 des Elastomerkörpers 34 parallel zur Längsachse Y des Gelenkschafts 26 ausgerichtet sind (siehe 2). Mittels geeigneter Maßnahmen wird das Dämpferlager 22 axial und radial gesichert, wobei ein geringes Spaltmaß zwischen der Schulter der Stufenbohrung und der stirnseitig umlaufenden Elastomerschicht 44 der Schalenbuchse 30 eingehalten wird. Die Durchlaßöffnung 49 der Stufenbohrung ist parallel zur Längsrichtung Y des Gelenkschafts als Langloch ausgebildet (siehe 3) mit einer Stahlüberdeckung zur Schalenbuchse 30 hin als Sicherheit gegen sog. Mißbrauchskräfte in Auszugsrichtung (in 1 nach unten gerichtet).
Das Dichtelement 28 ist einerseits in einer außenseitigen radialen Nut 50 des Gelenkkopfs 24 gelagert und andererseits auf dem Zapfenschaft 20 des Kugelzapfens 16 über geeignete Spannelemente fixiert und schützt so das Kugelgelenk vor äußeren Einflüssen.
Oberhalb des Dämpferlagers 22 wird in den ersten Abschnitt 46 des Innenraums des Gelenkkopfs 24 der hutförmige Verschlußdeckel 10 eingesetzt, der z.B. durch Umbiegen des den ersten Abschnitt 46 umgebenden Rands des Gelenkkopfs 24 fixiert wird. Der Verschlußdeckel 10 dichtet das Kugelgelenk gegen äußere Einflüsse ab und dient als Sicherheit gegen Mißbrauchskräfte in Ausdrückrichtung (in 1 nach oben gerichtet). Auch hier wird ein geringes Spaltmaß zwischen dem Boden des Verschlußdeckels 10 und der stirnseitig umlaufenden Elastomerschicht 44 der Schalenbuchse 30 eingehalten.
Das Kugelgelenk kann z.B. in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs zur Kupplung des Lenkspurhebels an das Lenkgetriebe eingesetzt werden. Das Kugelgelenk wird hierzu über ein Gewinde des Zapfenschafts 20 am Lenkspurhebel befestigt. Die Anbindung an das Lenkgetriebe übernimmt ein Axialgelenk 52 (siehe 4). Das Axialgelenk 52 umfaßt einen Axialgehäusezapfen 54, der die Verbindung zur Zahnstange des Lenksystems darstellt, und einen Gewindezapfen 56. Über das zum Innengewinde des Gelenkschafts 26 passende Außen gewinde des Gewindezapfens 56 sind das Axialgelenk 52 und das Kugelgelenk längenverstellbar miteinander verbunden, wobei die Verbindung mittels einer Sechskantmutter 58 gesichert ist.
Das hystereseartige Verhalten der „Federsteifigkeit" des Kugelgelenks in Abhängigkeit einer eingeleiteten Zug- bzw. Druckbelastung auf die Schalenbuchse 30 in axialer Richtung der Spurstange ist in 5 dargestellt. Über die Schalenbuchse 30 wird der Elastomerkörper 34 durch eine zusammengesetzte Schub-/Druckkraft radial beaufschlagt. Das Kugelgelenk zeigt in der ersten Phase der Zug- bzw. Druckeinwirkung dank der elastomerfreien Funktionsbereiche 40 zunächst eine definierte, linear ansteigende Federsteifigkeit. Sobald der entsprechende Anschlagabschnitt 38 des Elastomerkörpers 34 in Anlage mit der Innenwand der Mantelbuchse 32 kommt, nimmt der Anschlagabschnitt 38 dann die weitere Verformungsarbeit auf und stellt somit einen gedämpften Anschlag mit einer progressiven Federsteifigkeit dar.
Über eine Vergrößerung/Verkleinerung des Elastomeranteils des Elastomerkörpers 34 und/oder unterschiedlicher Shorehärten sind verschiedene Steifigkeiten der Dämpfung realisierbar. Weiterhin kann das Dämpfungsverhalten über die Formgebung, insbesondere die Stärke der Ausprägung der Anschlagabschnitte 38 beeinflußt werden, wobei auch unterschiedliche Formen der beiden Anschlagabschnitte 38 denkbar sind. Es kann auch eine andere Anzahl von Anschlagabschnitten 38 und/oder Haftabschnitten 36 und/oder eine andere Anordnung in Umfangsrichtung vorgesehen werden.
Bei einer Lastbeaufschlagung des Kugelzapfens 16 in Richtung der Längsachse X wird das Kugelgelenk auf Schub beansprucht, wobei in diesem Fall die stirnseitig umlaufende Elastomerschichten 44 der Schalenbuchse 30 einen gedämpften Anschlag bewirken.

Claims

Gedämpftes Kugelgelenk, mit einer Schalenbuchse (30), in der eine Kugelschale (14) mit einem darin aufgenommenen Kugelzapfen (16) angeordnet ist, einer außerhalb der Schalenbuchse (30) konzentrisch angeordneten Mantelbuchse (32), und einem zwischen der Schalenbuchse (30) und der Mantelbuchse (32) vorgesehenen Elastomerkörper (34), dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomerkörper (34) wenigstens einen Anschlagabschnitt (38) aufweist, der im unbelasteten Zustand des Kugelgelenks nicht gleichzeitig an der Außenwand der Schalenbuchse (30) und der Innenwand der Mantelbuchse (32) anliegt.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagabschnitt (38) an der Außenwand der Schalenbuchse (30) anliegt und von der Innenwand der Mantelbuchse (32) beabstandet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomerkörper (34) wenigstens zwei gegenüberliegende Anschlagabschnitte (38) aufweist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomerkörper (34) wenigstens einen Haftabschnitt (36) aufweist, der sowohl an der Außenwand der Schalenbuchse (30) als auch an der Innenwand der Mantelbuchse (32) anliegt.
Kugelgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagabschnitte (38) und die Haftabschnitte (36) in Umfangsrichtung der Buchsen (30, 32) versetzt zueinander angeordnet sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgelenk einen Gelenkschaft (26) aufweist und der bzw. die Anschlagabschnitt(e) (38) zur Längsachse (Y) des Gelenkschafts (26) ausgerichtet sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer der beiden Stirnseiten der Schalenbuchse (30) eine umlaufende Elastomerschicht (44) vorgesehen ist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenbuchse (30), die Mantelbuchse (32) und der Elastomerkörper (34) Teil eines vormontierten Dämpferlagers (22) sind, das in einen Gelenkkopf (24) des Kugelgelenks eingesetzt ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gelenkkopfs (24) wenigstens teilweise mit einer Stahlüberdeckung zur Schalenbuchse (30) hin versehen ist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schalenbuchse (30) eine umlaufende radiale Lagernut (42) gebildet ist, in der die Schenkelenden einer vorgeformten Blattfeder (12) unter Vorspannung fixiert sind, so daß über den Mittelsteg der Blattfeder (12) ein axialer Druck auf die Kugelschale (14) ausgeübt wird.