DE19818161C2

DE19818161C2 - Gummigelagertes Kugelgelenk mit spannungsoptimierter Lagergeometrie

Info

Publication number: DE19818161C2
Application number: DE1998118161
Authority: DE
Inventors: Helmut Kammel
Original assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Current assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: DE19818161A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gummigelagertes Kugelgelenk, dessen Innenteil gegen das Außenteil durch ein Elastomer isoliert ist und bei dem im Innenteil ein an seinem Ende eine Gelenkkugel aufweisender Gelenkzapfen gelagert ist.

Im Automobilbau für die Fahrwerksaufhängung verwendete Lager und Gelenke werden bekanntlich unter anderem durch Scherkräfte, Vibrationen und Beschleunigungskräfte besonders stark beansprucht. Es ist daher bekannt, die beispielsweise durch Fahrbahnun ebenheiten verursachten Schwingungen durch die Verwendung von Elastomeren in den Lagern bzw. Gelenkkörpern zu dämpfen. Bei geeigneter Auswahl der Elastomere wird gleichzeitig eine Verbesserung der Akustik, d. h. eine Geräuschisolierung gegen die durch die Schwingungen verursachten Laufgeräusche erreicht.

So ist beispielsweise aus der DE 28 38 391 A1 ein Gummilager mit einer speziellen Geometrie bekannt, bei dem die Mantelflächen des inneren und äußeren Lagerteils in bezug auf die Lagerachse schräg verlaufen. Nach der Lehre der Schrift wird hierdurch eine Art Gleitrampe gebildet, wodurch die in Kurvenfahrten auftretenden und axial in das Lager eingeleiteten Kräfte zu einer Radialverschiebung zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerteil und somit zu einem Verschwenken des für ein Radführungsglied eingesetzten Lagers führen. Aus der DE 33 46 665 A1 ist weiterhin ein elastisches Lager mit einer Zwangsführung bekannt. Bei dem beschriebenen Lager ist zwischen einer inneren und einer äußeren Hülse des Lagers ein speziell geformter und vorgespannter Gelenkkörper aus einem elastischen Werkstoff eingeordnet. Durch die Ausbildung des Gelenkkörpers wird eine Zwangsführung bei karda nischen Auslenkbewegungen erreicht.

Für Gelenkverbindungen von Teilen der Radaufhängungen bei Kraftfahrzeugen ist der Einsatz von Kugelgelenken bekannt. In der Regel sind beim Einsatz der Lager sowohl das Gehäuse als auch der Gelenkzapfen des Kugelgelenks starr mit den Fahrwerksteilen verbunden, wodurch Erschütterungen bzw. Schwingungen in unerwünschter Weise unmittelbar auf das Fahrwerk übertragen würden. Es ist daher beispielsweise aus dem deut schen Gebrauchsmuster DE 86 20 178 U1 bekannt, die auftretenden Antriebs- und Abbrems schwingungen durch den Einsatz einer Gummilagerung zu dämpfen. Bei der beschriebenen Lösung ist auf den annähernd zylindrisch gestalteten Gehäusemantel des Kugelgelenkes ein Gummimetallager aufgepreßt, welches aus einer Innenhülse, einer mit dem Fahrwerk verbundenen Außenhülse und einer zwischen der Innen- und der Außenhülse eingeordneten Gummischicht besteht. Aufgrund der enormen Beanspruchung des Gummis ist es wün schenswert, zur Erhöhung der Lebensdauer des Lagers möglichst große Anlageflächen für den Elastomerwerkstoff am Innen- und am Außenteil auszubilden. Dem steht jedoch die begrenzte Lagergeometrie eines solchen Lagers für ein Kugelgelenk entgegen, welche sich neben Gründen der Platzersparnis auch daraus ergibt, daß der Gelenkzapfen stets in einem hinreichend großen Winkel schwenkbar gelagert sein muß.

Technische Problemstellung der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Lagergeometrie eines solchen gummigelagerten Kugelgelenks so zu verändern, daß ein hinreichend großer Schwenkwinkel für den Lagerzapfen gewährleistet ist und gleichzeitig Anlageflächen für den Elastomerwerkstoff am Innen- und am Außenteil zur Erhöhung seiner Lebensdauer vergrößert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Problemstellung durch ein Lager mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Verlängerung der Lagergeometrie an der dem Gelenkzapfen gegenüberliegenden Seite wird erfindungsgemäß ein Versatz zwischen der Drehachse des Lagers und der Drehachse des Gelenkes erreicht. Die Verlängerung des Lagers führt zu einer Vergrößerung und damit zu einer erhöhten Lebensdauer des Elastomers. Bei einer herkömmlichen Lagergeometrie würde jedoch die Lagerverlängerung bei entsprechenden angreifenden Radialkräften zu einer unerwünschten Verdrehung des Lager-Innenteils in dem Außenteil führen. Dem wird nach der Lehre der Erfindung durch die konische Gestaltung des Lagers auf der Seite seiner Verlängerung entgegengewirkt. Der Versatz zwischen den Drehachsen und die gleichzeitige konische Gestaltung des Lagers haben im Lagerinnern eine abstützende Wirkung in Hinblick auf radial einwirkende und damit Drehmomente verursachende Kräfte zur Folge, wodurch sich eine höhere Belastbarkeit des Lagers in bezug auf die angreifenden Drehmomente ergibt.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß dabei die Außenkontur des Lager-Innenteils in einem Neigungswinkel β und die Außen- und Innenkontur des Außenteils in einem Neigungswin kel χ gegen die Lagerachse konisch erweitert sind.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenkontur des Innenteils, etwa beginnend im Bereich der Achse des Lagers, konisch in Richtung der Lagerverlängerung erweitert.

Besonders vorteilhaft läßt sich die für die einwirkenden Drehmomente günstige Höhe des Elastomers durch gezielte Verhältnisse zwischen dem Neigungswinkel der Außenkontur des Innenteils und dem Neigungswinkel des Außenteils und eine daran angepaßte Ausformung des Elastomers realisieren. Es ist daher eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä ßen Lagers dadurch gegeben, daß der Neigungswinkel der konischen Erweiterung der Außenkontur des Innenteils geringer ist als der Neigungswinkel für die Erweiterung des Außenteils. Hierdurch ergibt sich im Außenbereich des Lagers eine größere Höhe des Gum mikörpers als in der auf die Lagerlängsachse bezogenen Lagermitte. Somit wird den größeren Federwegen im Lageraußenbereich bzw. den hier auftretenden Kräften in besonders vorteilhafter Weise Rechnung getragen. Unter Berücksichtigung der durch den jeweiligen Einsatzzweck bedingten Belastungen des Lagers ist es vorteilhaft, wenn die Nei gungswinkel des Innen- und Außenteils entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des er findungsgemäßen Lagers bereichsweise variieren. Hierdurch kann die Höhe des Elastomers in optimaler Weise an den im Lager entsprechend dem Einsatzfall tatsächlich auftretenden Kräfteverlauf angepaßt werden. Auch das Vorsehen von Ausnehmungen an einzelnen Stellen des Elastomers ermöglicht eine auf die jeweilige Beanspruchung ausgerichtete opti male Festlegung der Höhe des Elastomers bzw. Gummis. Eine besonders vorteilhafte Aus gestaltung des Lagers weist eine Ausfallsicherung auf, die dadurch erreicht wird, daß der maximale Außendurchmesser des Lager-Innenteils größer ist als der maximale Innendurch messer des Lageraußenteils. Zur besseren Aufnahme axial wirkender Kräfte und zur Vermeidung von die Lebensdauer herabsetzenden Zugspannungen weist eine weitere Aus gestaltung des erfindungsgemäßen Lagers an der dem herausragenden Gelenkzapfen gegen überliegenden Stirnseite einer Anschlagfläche für das Innenteil auf. Im Sinne der Erfindung ist weiterhin eine Lagergeometrie, bei der das Innen- und Außenteil sich beidseitig konisch erweiternd gestaltet sind.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zuge hörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Das erfindungsgemäße Lager in einer Schnittdarstellung

Fig. 2 Die Schnittdarstellung eines gummigelagerten Kugelgelenks nach dem Stand der Technik

Fig. 3 Eine Darstellung des Lagers unter Verdeutlichung der am Lager auftretenden Kräfte und Drehmomente

Fig. 4 Eine Ausgestaltung des Lagers nach der Fig. 1 mit einem das Lager auf der dem Gelenkzapfen gegenüberliegenden Seite verschließenden Deckel und einem Dichtungsbalg

Die Fig. 1 verdeutlicht die Geometrie des erfindungsgemäßen Lagers anhand einer Schnittdarstellung mit einem durch die Lagerachse 1 geführten Schnitt. Für Kugelgelenke ist bisher aus dem Stand der Technik eine Lagerung gemäß der Fig. 2 bekannt, bei der die Drehpunkte 8, 9 des Lagers und des Gelenks bezogen auf die axiale Richtung örtlich zusam menfallen. Mit der an seinem Ende ausgebildeten Gelenkkugel 5 ist ein Gelenkzapfen 6 in der Lagerschale 4 des Innenteils 2 eines Gummimetallagers gelagert. Dieses Innenteil 2 bildet gleichzeitig das Gehäuse des Kugelgelenks. Zwischen dem Innen- und Außenteil 2, 3 des Lagers ist ein Elastomer 7 in bekannter Weise eingeordnet. Der Gelenkzapfen 6 des Kugelgelenks kann entsprechend der an ihm radial angreifenden Kräfte im Winkel α aus schwenken. Um die Größe des Ausschwenkwinkels α zu bewahren, kommt eine Verlänge rung des Lagers auf der Seite des Gelenkzapfens 6 nicht in Betracht. Das erfindungsgemäße Lager wurde daher auf der dem herausragenden Gelenkzapfen 6 gegenüberliegenden Seite verlängert. Durch diese Verlängerung ergibt sich ein Versatz X zwischen dem Drehpunkt 8 des Lagers und dem Drehpunkt 9 des Kugelgelenks.

Zur Vermeidung von Zugspannungen in dem Elastomer 7 bzw. Gummi ist, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, an der Stirnseite der Lagerverlängerung eine Anschlagfläche 10 für das Lager- Innenteil 2 ausgebildet. Durch diese Anschlagfläche und die konische Gestaltung des Lagers werden axiale Kräfte in einer für den Gummi günstigen Wiese aufgenommen. Durch die er findungsgemäße Lagergeometrie ergibt sich außerdem in Bezug auf einwirkende Radialkräf te eine günstige gleichmäßige Spannungsverteilung im Elastomer 7.

Im Falle der Fig. 2 würde sich bei einer einseitigen Lagerverlängerung unter gleichzeitiger Beibehaltung der sonstigen Lagergeometrie bei der Einleitung größerer radialer Kräfte eine unerwünschte Verdrehung des Lager-Innenteils 2 in dem Außenteil 3 ergeben. Dies rührt daher, daß das Lager in Folge des Versatzes X zwischen den Drehpunkten 8, 9 größeren Belastungen durch auftretende Drehmomente ausgesetzt ist.

In der Fig. 3 sind die am Lager auftretenden Kräfte bzw. Drehmomente zur Verdeutlichung dargestellt. Der durch die auftretenden Drehmomente resultierenden Neigung des Innenteils 2 sich in dem Außenteil 3 zu verdrehen, wird erfindungsgemäß durch die gewählte Lagergeometrie, bei der sich, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sowohl das Lager-Innenteil 2 hinsichtlich seiner Außenkontur, als auch das Lager-Außenteil 3 konisch erweitern, entgegengewirkt. Dabei ist durch die Geometrie entsprechend der Erfindung, wie in der Fig. 3 verdeutlicht, eine abstützende Wirkung zur Aufnahme der angreifenden Drehmomente gegeben.

Durch die für die konische Erweiterung des Innenteils 2 bzw. des Außenteils 3 jeweils zu wählenden Neigungswinkel β bzw. χ wird die an einem jeweiligen axialen Ort gegebene Höhe 13 des Elastomers 7 bestimmt. Besonders zweckmäßig ist es daher, wenn der Neigungswinkel β für die konische Erweiterung des Innenteils 2 geringer ist als der Neigungswinkel χ des Außenteils 3. Bei einer solchen Geometrie ist die Gummihöhe 13 in dem dem Gelenkzapfen 6 gegenüberliegenden Außenbereich des Lagers erhöht, was in günstiger Weise den hier vorhandenen großen Federwegen Rechnung trägt und die Aufnah me der wirkenden großen Kräfte begünstigt. Es ist aber auch möglich, die Neigungswinkel β, χ in einzelnen Bereichen der axialen Erstreckung des Lagers zu variieren und so gezielt die jeweilige Höhe 13 des Elastomers 7 an die Beanspruchungen des Lagers im jeweiligen speziellen Einsatzfall anzupassen.

In der Fig. 4 ist eine weitere mögliche Ausführung eines erfindungsgemäßen Kugelgelenkes mit einer auf der dem Gelenkzapfen 6 gegenüberliegenden Seite verschlossenen Ausbildung dargestellt. Das Lager ist hier stirnseitig mit einem Deckel 14 versehen. Dadurch wird neben der Verhinderung des Eindringens von Verunreinigungen in das Lager auch erreicht, daß Axialkräfte in entgegengesetzten Richtungen aufgenommen werden können.

Entsprechend dem Einsatzfall ist es auch denkbar, im Bereich der Gelenkkugel 5, also auf der Seite des Gelenkzapfens, eine konische Erweiterung des Lagers vorzusehen. Aus Montagegründen ist es hier aber nicht möglich, den maximalen Außendurchmesser des Innenteils 2 größer zu wählen als den minimalen Innendurchmesser des Außenteils 3, da ansonsten eine geteilte Aufnahme für das Lager verwendet werden müßte.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in dem Elastomer 7 bereichsweise Unterbre chungen oder Ausnehmungen 17 vorzusehen und auf diese Weise die Gummihöhe 13 in einer für den Einsatzfall günstigen Weise an die auftretenden Kräfte anzupassen.

Darüber hinaus ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführung eines gummigelagerten Kugelgelenkes entsprechend der Darstellung in der Fig. 4 auf der Zapfenaustrittsseite ein Dichtungsbalg 15 vorgesehen, der einerseits an dem Gelenkzapfen 6 und andererseits in einer Nut des Innenteiles 2 anliegt und eine zusätzliche Dichtungsbalgverlängerung 16 aufweist, die unmittelbar und bevorzugt einstückig an dem Dichtungsbalg 15 angeformt ist. Die Dichtungsbalgverlängerung 16 liegt endseitig dichtend an dem Außenteil 3 an.

Bezugszeichenliste

1

Lagerachse

2

Innenteil

3

Außenteil

4

Lagerschale

5

Gelenkkugel

6

Gelenkzapfen

7

Elastomer

8

Drehpunkt

9

Drehpunkt

10

Anschlagfläche

11

Außendurchmesser Innenteil

12

Innendurchmesser Außenteil

13

Höhe

14

Deckel

15

Dichtungsbalg

16

Dichtungsbalgverlängerung

17

Ausnehmung
α Schwenkwinkel
β Neigungswinkel
χ Neigungswinkel
M1-M3 Drehmoment
X Versatz

Claims

1. Gummigelagertes Kugelgelenk mit spannungsoptimierter Lagergeometrie bestehend aus einem axialsymmetrischen Lager, dessen Innenteil gegen das Außenteil durch ein Elastomer isoliert ist und einem in dem Innenteil mit einer an seinem Ende ausgebilde ten Gelenkkugel gelagerten Gelenkzapfen, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt (8) des Lagers, welches an seiner dem aus dem Lager herausragenden Gelenkzapfen (6) gegenüberliegenden Seite über den Radius der Gelenkkugel (5) hinaus verlängert ist und der Drehpunkt (9) des in dem Innenteil gelagerten Gelenkzap fens (6) in axialer Richtung gegeneinander einen Versatz X aufweisen, wobei das Innenteil (2) des Lagers hinsichtlich seiner Außenkontur mit einem Neigungswinkel β gegen die Lagerachse (1) und das Außenteil (3) hinsichtlich seiner Außen- und Innenkontur mit einem Neigungswinkel χ gegen die Lagerachse (1) auf der Seite der Lagerverlängerung konisch erweitert sind.

2. Gummigelagertes Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Außenkontur des Innenteils (2) etwa im Bereich des Drehpunktes (8) des Lagers beginnend konisch in Richtung der Lagerverlängerung erweitert.

3. Gummigelagertes Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel β der konischen Erweiterung der Außenkontur des Innenteils (2) geringer ist als der Neigungswinkel χ der konischen Erweiterung des Außenteils (3).

4. Gummigelagertes Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel β der konischen Erweiterung der Außenkontur des Innenteils (2) und/oder Neigungswinkel χ der konischen Erweiterung des Außenteils (3) bereichs weise variieren.

5. Gummigelagertes Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zwischen dem Innenteil (2) und dem Außenteil (3) eingeordneten Elastomer (7) bereichsweise Ausnehmungen ausgebildet sind.

6. Gummigelagertes Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Innenteil (2) und/oder dem Außenteil (3) zumindest abschnittsweise flache oder ebene Bereiche vorhanden sind.

7. Gummigelagertes Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager eine Ausfallsicherung aufweist, derart, daß der maximale Außendurchmesser (11) seines Innenteils (2) größer ist, als der minimale Innendurch messer (12) des Außenteils (3).

8. Gummigelagertes Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem herausragenden Gelenkzapfen (6) gegenüberliegenden Stirnseite des Lagers zur Aufnahme axial wirkender Kräfte eine Anschlagfläche (10) für das Innenteil (2) ausgebildet ist.

9. Gummigelagertes Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenteil (2) und das Außenteil (3) des Lagers beidseitig konisch erweitert sind.

10. Gummigelagertes Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgelenk wenigstens einseitig einen Dichtungsbalg (15) mit einer daran angeformten Dichtungsbalgverlängerung (16) aufweist, der das Kugelgelenk dichtend verschließt.