DE10361101A1

DE10361101A1 - Kugelgelenk sowie Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes

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Publication number: DE10361101A1
Application number: DE10361101A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. Martin
Original assignee: HUETTENBERGER PRODUKTIONSTECHN; Huettenberger Produktionstechnik Martin GmbH
Current assignee: HUETTENBERGER PRODUKTIONSTECHN; Huettenberger Produktionstechnik Martin GmbH
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einer in einer Lagerschale angeordneten Kugel und einem mit der Kugel verbundenen Gelenkschaft, wobei die Kugel großflächig mit einem ersten Kunststoff umspritzt ist, wodurch eine Lagerschale ausgebildet ist, wobei die Lagerschale in einem Käfig angeordnet ist und wobei die Lagerschale und der Käfig wenigstens teilweise von einem Elastomer umspritzt ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kugelgelenkes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einer in einer Lagerschale angeordneten Kugel und einem mit der Kugel verbundenen Gelenkschaft sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kugelgelenkes.
Kugelgelenke werden beispielweise in der Fahrwerktechnik des Automobilbaus verwendet. Zum Stand der Technik gehören in diesem Fachgebiet Kugelgelenke, deren Kugel in geteilten oder geschlitzten Kunststoffschalen gelagert ist, und deren Spiel- und Reibungsverhalten durch federnde Elemente eingestellt ist. Gemäß dem Stand der Technik wird un ter anderem die Abstimmung der Vorspannung der geteilten Kugelschalen gegenüber der Kugel durch nachträgliches Trimmen, zum Beispiel durch Bördeln, durchgeführt.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Kugelgelenk anzugeben, welches als ein baufertiges und geprüftes Standardteil angeboten werden kann, welches hoch belastbar, wartungsfrei, schwingungsdämpfend und dabei preisgünstig ist. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kugelgelenkes angegeben werden.
Dieses technische Problem wird durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 24 gelöst.
Dadurch, dass das Kugelgelenk eine Kugel aufweist, die großflächig mit einem Kunststoff umspritzt ist, wodurch eine Lagerschale ausgebildet wird, und dadurch, dass die Lagerschale in einem Käfig angeordnet ist, und dass die Lagerschale und der Käfig wenigstens teilweise von Kunststoff umspritzt ausgebildet sind, erhält man ein hoch belastbares, wartungsfreies und schwingungsgedämpftes Kugelgelenk.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Gelenkkugel großflächig mit einem als Lagerwerkstoff gut geeigneten Kunststoff umspritzt wird. In einem zweiten Spritzvorgang wird die so entstandene Lagerschale mit der eingespritzten Kugel in einem vorzugsweise thermoplastischen Elastomer (TPE) innerhalb eines Stahlblechkäfigs eingebettet.
Im eingebauten Zustand wird von der Bohrung des Konstruktionselementes (zum Beispiel der Spurstange) über den Stahlblechkäfig und das thermoplastische Elastomer durch die Schwindung der Lagerschale auf die Kugel eine Vorspannung ausgeübt, die eine gezielte Haftreibung erzeugt, wodurch sich kleine Schwingungen über die Lagerschale auf das thermoplastische Elastomer übertragen und dort eine Dämpfung erfahren. Größere Schwingungen bewirken Bewegungen mit der der Werkstoffpaarung entsprechenden Reibung.
Die Bauart des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes ermöglicht es, eine wirtschaftliche Serienfertigung auf einer automatisierten Fertigungseinrichtung durchzuführen, die für eine Teilefamilie vorgesehen und deshalb schnell auf andere Größen umrüstbar ist.
Vorteilhaft sind der Kunststoff der Lagerschale und der die Lagerschale und den Käfig wenigstens teilweise umgebende Kunststoff unterschiedlich ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Kunststoff für die Lagerschale ein polymerer Werkstoff wie Acetalcopolymerisat (POM) (Handelsname) von Ticona (Firmenname) verwendet. Der die Lagerschale und den Käfig umgebende Kunststoff ist vorteilhaft als thermoplastisches Elastomer (TPE) ausgebildet.
Dem Kunststoff der Lagerschale sind geeignete Zusätze beigefügt, die die gewünschten Gleit- und Festigkeitseigenschaften erzeugen. Hierzu wird auf den polymeren Werkstoff Hostaform (Handelsname von Ticona (Firmenname)) hingewiesen.
Eine Optimierung der Füllung der Lagerschale mit Zusätzen für gute Reibungsverhältnisse und geringes Verschleißverhalten ist zum Beispiel erreichbar durch POM Hostaform C 9021 AW oder POM Hostaform C 9021 TF.
Außerdem werden auch Zusätze als Füllung zur Reduzierung der Schwindung eingesetzt (zum Beispiel mit Spezialkreide modifiziert).
Der Käfig ist vorteilhaft als Blechkäfig, insbesondere aus Edelstahl ausgebildet. Vorteilhaft ist der Käfig als Stanz-Biegeteil ausgebildet.
Die Lagerschale ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform von dem Elastomer vollständig umspritzt, während der Käfig lediglich teilweise von dem Elastomer umspritzt ist.
Die Vorspannung der Lagerschale ist auf die Kugel so abgestimmt, dass die Bewegung der Kugel bei kleinen Bewegungen (Vibrationen) des Gelenkschaftes (Zapfens) auf die Lagerschale übertragen wird und diese eine Dämpfung durch das eingespritzte thermoplastische Elastomer (TPE) erfährt. Bei diesen Vibrationen entsteht keine Gleitreibung und damit auch keine Abnutzung zwischen der Kugel und der Lagerschale.
Die Lagerschale weist vorteilhaft Unterschiede in der Wanddicke auf, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als Dehnungsfugen ausgebildet sind, so dass eine Anpassung der Reibkräfte über die Schwindung der Lagerschale gewährleistet ist.
Der Werkstoff der Lagerschale und des thermoplastischen Elastomers ist vorteilhaft so ausgewählt, dass beide an ihren Oberflächen miteinander vernetzen und eine Haftung bilden, die im Wesentlichen Festigkeits- und Temperaturbeständigkeitseigenschaften erreicht wie der thermoplastische Kunststoff.
Der Käfig ist, wie schon ausgeführt, vorteilhaft als Blechgehäuse aus einem Stanz-Biegeformteil geformt, derart, dass in ihm mittig eine Ronde gezogen ist, von der mehrere Arme ausgehen, die nach dem Einsetzen des Vorspritzlings abgebogen werden, so dass sie einen Käfig ergeben, in dem das Kugelgelenk Platz findet und dann in einem zweiten Spritzvorgang dort fixiert wird.
Die Lagerschale selbst weist vorteilhaft am äußeren Umfang zusätzliche Rippen auf, die einen Formschluss mit dem thermoplastischen Kunststoff bilden.
Vorteilhaft sind die in dem thermoplastischen Elastomer eingebetteten Kanten des Stanzteiles stark abgerundet ausgebildet, um eine Schädigung des thermoplastischen Elastomers beim Auftreten von Vibrationen zu vermeiden.
Die Außenkontur im Bereich der Ronde weist vorteilhaft ein genau toleriertes Maß auf, und die Außenkontur nimmt zur entgegengesetzten Seite hin stetig in der Abmessung zu.
Durch das Einpressen des Kugelgelenkes in eine Bohrung mit den entsprechenden Maßen wird damit über das thermoplastische Elastomer eine Vorspannung auf die Lagerschale und damit eine Dämpfung auf die Kugel ausgeübt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind einzelne hochgebogene Arme nicht im thermoplastischen Elastomer eingebettet, sondern liegen außen auf und bilden so eine Art Schiene zur Erleichterung des Einpressvorganges.
Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften weiteren Ausführungsform sind einzelne oder sämtliche hochgebogenen Arme an der der Ronde gegenüberliegenden Seite des fertigen Bauteiles mit Öffnungen, zum Beispiel Bohrungen, versehen. Diese werden zum Positionieren der hochgebogenen Arme im Spritzwerkzeug zum Fertigspritzen mit dem thermoplastischen Elastomer benutzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in dem zweiten Spritzvorgang an den Enden der Lagerschale Dicht- und Abstreiflippen angespritzt.
Die Lagerschale weist vorteilhaft Dehnungsfugen auf, die in der Mitte nur so weit verbunden werden, dass durch die Schwindungskräfte das gewünschte Reibungsmoment im Spritzprozess erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk weist einen Dämpfungskörper mit variabler Einbindung des Stanz-Biegeteiles und zusätzlich eine variable Auswahl der Shore-Härte auf.
Das vorgesehene Stanz-Biegeteil hat den Vorteil, dass es abstimmbar ist auf die gestellten Anforderungen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nur beispielhaft dargestellt, und zwar zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes fertiggestelltes Kugelgelenk;
2 ein Kugelgelenk mit umspritzter Lagerschale, angeordnet in einem Käfig;
3 eine perspektivische Ansicht eines fertiggestellten Kugelgelenkes;
4 eine Lagerschale in perspektivischer Ansicht;
5 einen Käfig in perspektivischer Ansicht;
6 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Käfigs, angeordnet in einer Bohrung.
1 zeigt ein Kugelgelenk (1) mit einer Kugel (2) und einem Gelenkschaft (3). Die Kugel (2) ist in einer Lagerschale (4) angeordnet, welche aus einem polymeren Werkstoff, vorzugsweise Acetalcopolymerisat (POM) besteht. Die Kugel (2) und die Lagerschale sind von einem Käfig (5), der als Stanz-Biegeteil ausgebildet ist, umgriffen. Der Käfig weist Arme (6, 7) auf, wobei der Arm (7) von einem zweiten Kunststoff (8) umspritzt ist und der Arm (6) außen auf dem zweiten Kunststoff (8) aufliegt. Der Arm (7) ist im versetzten Schnitt dargestellt. Die Arme (6, 7) weisen Bohrungen (9) auf. Diese werden zum Positionieren der hochgebogenen Arme im Spritzwerkzeug zum Fertigspritzen mit dem thermoplastischen Elastomer (8), zum Beispiel TPE-U (thermoplastisches Polyurethan), benutzt. Bei dem zweiten Spritzvorgang werden an den Enden der Lagerschale (4) Dicht- und Abstreiflippen (10) angespritzt.
2 zeigt das Kugelgelenk (1) nach dem ersten und vor dem zweiten Spritzvorgang. Die Kugel (2) ist mit dem Kunststoff der Lagerschale großflächig umspritzt. Der Käfig (5) weist die Arme (6, 7) auf, die nach außen gebogen angeordnet sind.
Die Arme (6, 7) sind nach dem Einsetzen des Vorspritzlinges (2, 4) abgebogen, so dass sie einen Käfig ergeben, in dem das Kugelgelenk (2, 3) Platz findet. Das Kugelgelenk (2, 3) wird in einem zweiten Spritzvorgang dort fixiert.
3 zeigt das fertige Kugelgelenk (1) mit dem Schaft (3) und dem Käfig (5) mit Armen (6, 7).
4 zeigt die Lagerschale (4), welche Rippen (11) aufweist, um eine optimale Vernetzung mit dem thermoplastischen Elastomer (8) zu erreichen. Darüber hinaus weist die Lagerschale (4) an ihrem Äquator Dehnungsfugen (12) auf. In der dargestellten Form sind die Dehnungsfugen nicht miteinander verbunden. Je nach Aufgabenstellung kann die Verbindung jedoch auch voll ausgebildet sein. Der Grad der Verbindung wird so gewählt, dass durch die Schwindungskräfte das gewünschte Reibungsmoment im Spritzprozess erreicht wird.
Diese Variante ist besonders vorteilhaft, da in der Spritzgussform je nach Ausgestaltung der Rippen in einfacher Art und Weise Material wegerodiert werden kann, so dass der Grad der Verbindung der Dehnungsfugen (12) stufenweise erhöht werden kann.
5 zeigt den Käfig (5) mit den Armen (6, 7).
Die Umspritzung ist so ausgebildet, dass ein Übermaß, das heißt ein Restübermaß entsteht, so dass bei der Montage des erfindungsgemäßen Kugelgelenkes von außen ein Druck auf das Gelenk entsteht. Dieser Druck ist nach der Größe des Restübermaßes einstellbar (Vorspannung).
Den Kunststoffen werden Zusätze zugegeben, die die Schwindung reduzieren beziehungsweise eine gesteuerte Schwindung verursachen.
Die eingeknickt ausgebildeten Arme (7) des Stanz-Biegeteiles (5) dienen dazu, dass sie mit dem thermoplastischen Elastomer umspritzt werden, so dass eine feste Verbindung zwischen dem thermoplastischen Elastomer und dem Käfig entsteht.
6 zeigt eine Bohrung (13), in der ein Käfig (5) angeordnet ist. Der Arm (6) des Käfigs (5) weist eine federnde Zunge (14) auf. Die federnde Zunge (14) wird bei der Montage zurückgedrückt und federt in einer Aussparung (15) im Auge (16) der Sackbohrung (13) wieder auf. Hierdurch verriegelt sich der Käfig (5) in der Bohrung (13). Der Käfig (5) liegt an einem Bund (17) an und stützt sich dort ab.
Ist kein Bund (17) vorgesehen, sondern eine offene Bohrung (nicht dargestellt), weisen die Arme (6) Zungen und Gegenzungen auf, um einen Fixierung in der Aussparung (15) zu erreichen.

1: Kugelgelenk
2: Kugel
3: Schaft
4: Lagerschale
5: Käfig
6: Arme
7: eingeknickte Arme
8: thermoplastisches Elastomer
9: Bohrungen
10: Dichtlippe/Abstreiflippe
11: Rippen
12: Dehnungsfuge
13: Bohrung
14: federnde Zunge
15: Aussparung
16: Auge
17: Bund

Claims

Kugelgelenk mit einer in einer Lagerschale angeordneten Kugel und einem mit der Kugel verbundenem Gelenkschacht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) großflächig mit einem Kunststoff umspritzt ist, wodurch eine Lagerschale (4) ausgebildet ist, dass die Kugel (2) und die Lagerschale (4) in einem Käfig (5) angeordnet sind, und dass die Kugel (2), die Lagerschale (4) und der Käfig (5) wenigstens teilweise von einem Elastomer (8) umspritzt ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Lagerschale (4) und das die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebende Elastomer (8) unterschiedlich ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebende Kunststoff (8) als thermoplastischer Elastomer (TPE) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebende Kunststoff (8) als thermoplastisches Polyurethan (TPE-U) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff für die Lagerschale (4) ein Polymerwerkstoff vorgesehen ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) aus Acetalcopolymerisat (POM) (Handelsname) von Ticona (Firmenname) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Lagerschale (4) Gleit- und Festigkeitseigenschaften erzeugende Zusätze aufweist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) als Blechkäfig ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) aus Edelstahl gebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) als Stanz-Biegeteil ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) als eine von dem Elastomer (8) vollständig umspritzte Lagerschale (4) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) als ein lediglich teilweise vom Elastomer (8) umspritzter Käfig (5) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) eine Vorspannung aufweist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) Unterschiede in der Wanddicke aufweist.
Kugelgelenk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Wanddicke vorhandenen Unterschiede als Dehnungsfugen (12) ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Lagerschale (4) und der Werkstoff des die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebenden Elastomers (8) miteinander vernetzt und ein festes Gefüge bildend ausgebildet sind, derart, dass mindestens die Festigkeits- und Temperaturbeständigkeitseigenschaften des thermoplastischen Elastomers (8) vorhanden sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) als ein Stanz-Biegeteil mit einer mittig gezogenen Ronde ausgebildet ist, wobei an der Ronde wenigstens zwei Arme (6, 7) angeordnet sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) am äußeren Umfang Rippen (11) aufweist, die einen Formschluss mit dem die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebenden Elastomer (8) bilden.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebenden Elastomer (8) eingebetteten Kanten des Käfigs (5) abgerundet ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenkontur im Bereich der Ronde ein eng toleriertes Maß aufweist, und dass die Außenkontur als eine zur entgegengesetzten Seite hin stetig in der Abmessung zunehmende Außenkontur ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Arme (6) auf dem die Lagerschale (4) und den Käfig (5) wenigstens teilweise umgebenden Elastomer (8) aufliegend ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Arm (6, 7) an der der Ronde gegenüberliegenden Seite wenigstens eine Öffnung (9) aufweist.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Lagerschale (4) Dicht- und/oder Abstreiflippen (10) angespritzt sind.
Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Arm (6) des Käfigs (5) wenigstens einen Vorsprung aufweist, der in einer Nut (15) einer Bohrung (13) arretierbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes mit einer in einer Lagerschale angeordneten Kugel und einem mit der Kugel verbundenen Gelenkschaft, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) mit einem Kunststoff großflächig umspritzt wird, dass die hierdurch gebildete Lagerschale (4) in einem Käfig (5) angeordnet wird, und dass die Lagerschale (4) und der Käfig (5) wenigstens teilweise mit Elastomer (8) umspritzt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Arme (6, 7) des Käfigs (5) abgebogen werden, derart, dass der Käfig (5) gebildet wird, in dem das Kugelgelenk (2, 4) angeordnet wird und in einem zweiten Spritzvorgang dort fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Spritzvorgang an den Enden der Lagerschale (4) Dicht- und/oder Abstreiflippen (10) angespritzt werden.