Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Gelenk- und/oder Lageranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer oder mehreren derartigen Gelenk- und/oder Lageranordnung(en), insbesondere in Fahrwerks- und/oder Lenkungsteilen.

Die EP 0 505 719 Bl zeigt eine Gelenkanordnung, die einen bereichsweise kugelförmigen Gelenkkörper aufweist, der im montierten Zustand in einer Gelenkschale beweglich ist. Diese ist an ihren axial äußeren Enden über Druckringe gegen Auszug gesichert. Solche Gelenkanordnungen können für hohe Anforderungen mit radialen Außentoleranzen von wenigen Hundertstelmillimetern eingesetzt und können mit hohen axialen Kräften von typisch zehn bis fünfzehn Kilonewton in einen äußeren Hülsenkörper, etwa einen Endbereich eines Radträgers oder eines Federbeins, eingepreßt werden. Auch bei einer ebenso genauen Fertigung des Hülsenkörpers kann es dabei zu einer Überdeckung mit einer radial einwärts wirkenden Kraft kommen, die über die direkte Anlage der Gelenkschale an der Innenwandung des Gelenkgehäuses von diesem Gelenkgehäuse unmittelbar auf die Gelenkschale weitergeleitet wird. Insbesondere wenn für diese ein vergleichsweise harter und spröder Hochleistungskunststoff eingesetzt wird, zum Beispiel ein PEEK-Kunststoff , der hohe Druck-Wärme-Anforderungen erfüllt und daher häufig

gegenüber einem oberhalb von ca. 8O ⁰ C zum Fließen neigenden POM-Kunststoff zu bevorzugen ist, führt dies zu nachteiliger Beeinflussung der Gelenkeigenschaften durch zum Beispiel größere Preßkraft auf den Gelenkkörper, was das Drehmoment zur Bewegung des Gelenkkörpers und damit in einem Fahrzeug den Fahrkomfort verändert, oder gar Brüche oder Risse in der Gelenkschale.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, Beschädigungen oder Gebrauchseinschränkungen durch die Einwirkung einer radialen Einwärtskraft beim Einpressen zu vermeiden.

Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Gelenkanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die weiteren Ansprüche 2 bis 14 verwiesen.

Durch ein erfindungsgemäßes Kraftausgleichselement ist eine Belastung der Gelenkschale durch radiale Kraft beim Einpressen zumindest nahezu vollständig vermieden. Die radiale Kraft wird über Verformung zumindest eines Teilbereichs des Kraftausgleichselements von der Gelenkschale abgehalten, so daß diese auch bei selbst sehr spröder und dünnwandiger Ausbildung unbeeinflußt bleiben kann.

Wenn das Kraftausgleichselement einmalig beim Einpressen der Gelenk- und/oder Lageranordnung in einen Hülsenkörper wirksam ist, ist verhindert, daß im laufenden Betrieb zu hohe Wegtoleranzen auch ohne äußere Kraftbeanspruchung in der Gelenkanordnung auftreten. Der nur beim Einpressen wirksame Toleranzausgleich kann insbesondere durch eine plastische Verformbarkeit bei radialer Krafteinleitung ermöglicht sein.

Dabei kann die Innenwandung des Gehäuses an der Verformung beteiligt sein, indem der verformbare Bereich bei radial einwärts weisender Kraftbeaufschlagung des Gehäuses in dessen Innenwandung eindrückt. Der verformbare Bereich kann dann selbst eine hohe Festigkeit aufweisen, die insbesondere zumindest so groß wie die der Gelenkschale ist, damit nicht durch das Kraftausgleichselement eine neue Schwachstelle entsteht.

Besonders günstig kann dabei der verformbare Bereich als zumindest ein nach außen vorstehender Ring- oder Ringsegmentvorsprung ausgebildet sein, so daß dieser Vorsprung als Auflager an der Innenwandung dient und der Rest des Kraftausgleichselements zumindest im unbelasteten Zustand nicht vollflächig an der Innenwandung anliegt, sondern beim Einpressen um dieses Auflager geringfügig schwenken kann.

Das Kraftausgleichselement ist Gelenkgehäuse und Gelenkschale zwischengeschaltet und kann sowohl mit einer Innenwandung des Gelenkgehäuses als auch mit einer Außenwandung der Gelenkschale großflächig in Kontakt stehen und dadurch radial einwärts wirkende Kraft von der Gelenkschale abhalten. Insbesondere kann das Kraftausgleichselement die Gelenkschale hülsenartig über nahezu die gesamte Länge der Gelenkanordnung umgeben, so daß die Gelenkschale nirgendwo einen direkten Kontakt mit der Innenwandung des Gelenkgehäuses hat. Dieses kann außenseitig - ebenso wie der zur Aufnahme der fertig montierten Gelenkanordnung vorgesehene Hülsenkörper innenseitig - parallelwandig ohne Konizität ausgebildet sein.

Alternativ können auch beispielsweise zwei Kraftausgleichselemente axial zueinander beabstandet vorgesehen sein, wobei auch dann im Zwischenbereich die Gelenkschale keinen Kontakt zum Gelenkgehäuse haben muß, um eine Übertragung von Radialkraft aus dem Gehäuse in die Gelenkschale zu verhindern. Sofern im

Abstandsraum ein Kontakt der Gelenkschale zur Innenwandung des Gehäuses besteht, kann die Gelenkschale dort elastisch federnd ausgebildet sein und zum Beispiel auf der dem Gelenkkörper zugewandten Seite einen Ringkanal als Schmiermittelreservoir aufweisen, der gleichzeitig einen radial einwärts weisenden Verformungsweg bereitstellt.

Neben der plastischen ist auch eine elastische Verformung des Kraftausgleichs- elements möglich, die auch eine Federkraft im Kraftausgleichselement ermöglicht.

Eine erfindungsgemäße Gelenkanordnung kann sowohl auf Rotation um die Zapfenachse nach Art eines Lagers als auch auf Biegung beanspruchbar und somit vielseitig einsetzbar sein, zum Beispiel innerhalb von Fahrwerks- und/oder Lenkungsteilen von Kraftfahrzeugen, zum Beispiel zur Anbindung von Federbeinen oder zur Abstützung von Rädern über mehr oder weniger quer angeordnete Lenker in Multilenkerachsen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine längsschnittliche Ansicht einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Gelenks mit zwei axial zueinander beabstandeten und zur Gelenkschale hin gerundeten Kraftausgleichselementen,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1 mit zwei zur Gelenkschale hin geradlinig schräg verlaufenden Kraftausgleichselementen,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2 mit zwei zur Gelenkschale als Polygonzüge ausgeformten Kraftausgleichselementen,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3 mit zwei federartig und von Abschlußringen getrennten Kraftausgleichselementen,

Fig. 5 das Detail V in Fig. 3,

Fig. 6 das Detail VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 mit vollständigem Verlauf eines Kraftausgleichselements,

Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 7 einer Ausführung mit einer Zwischenlage,

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8 einer Ausführung mit drei vorstehenden Ringanformungen des Kraftausgleichselements,

Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8 einer Ausführung mit einem Wellenprofil am Kraftausgleichselement.

Die in Figur 1 dargestellte Gelenkanordnung 1 umfaßt einen axial erstreckten Gelenkkörper 2 mit einer im axial mittleren Bereich im wesentlichen kugelförmigen Ausformung 3. Diese ist in einer - häufig geschlitzten - Gelenkschale 4 beweglich gehalten, wobei die radiale Außenfläche 5 der Gelenkschale 4 nach Fig. 1 im Schnitt eine Rundung ausbildet, die dreidimensional die Achse 6 umläuft. Die Innenfläche 7 der Gelenkschale 4 ist in diesem Beispiel im Schnitt durch einen Polygonzug

angenähert, wobei sich in den Knickstellen ringförmig umlaufende Schmiermittelreservoirs 8 ergeben, was nicht zwingend ist. Die Gelenkschale 4 kann zur Kosten- und Gewichtsersparnis insgesamt aus Kunststoff ausgebildet sein, wobei zunehmend zum Erfüllen hoher Druck-Temperatur-Anforderungen relativ harte und spröde PEEK-Kunststoffe anstelle der weicheren, jedoch bei hohen Temperaturen zum Fließen neigenden POM-Kunststoffe eingesetzt werden.

Der Raum zwischen dem Gelenkkörper 2 und der Gelenkschale 4 ist hier zumindest teilweise mit einem Schmiermittel befüllt, das zur Reibungsverringerung zwischen den Kontaktflächen dient. Die Schmierung kann insbesondere für die gesamte projektierte Lebensdauer des Gelenks 1 vorgesehen sein.

Die Bewegung des Gelenkkörpers 2 kann sowohl eine Auslenkung in Richtung der Pfeile a, b als auch eine Rotation um die Achse 6 des Zapfens 2 sein. Daher kann eine solche Gelenkanordnung 1 auch nach Art eines Lagers wirken und wird hier auch allgemein als Gelenk- und/oder Lageranordnung bezeichnet.

Die Gelenkschale 4 ist radial weiter außen von einem hülsenförmigen Gelenkgehäuse 9 umgeben, dessen axiale Enden 10 nach Montage des Gelenks 1 zum Beispiel durch eine Rollumformung geschlossen werden können. Ein solches Gelenk 1 kann daher insgesamt auch als Hülsengelenk bezeichnet werden und in einem auf seine Montage folgenden Schritt mit einer Preßpassung bei einer axialen Preßkraft von typisch einigen bis einigen zehn Kilonewton in einen umgebenden Hülsenkörper - hier nicht gezeichnet -, etwa einen eine Durchgangsbohrung bildenden Endbereich eines Radträgers oder eine Federbeinaufnahme, axial eingepreßt werden. Das Hülsengelenk 1 kann mit Durchmessertoleranzen im Bereich einiger Hundertstelmillimeter gefertigt sein, ebenso das Innenmaß des aufnehmenden Hülsenkörpers.

Erfindungsgemäß ist radial zwischen dem umgebenden Gelenkgehäuse 9 und der Gelenkschale 4 zumindest ein Kraftausgleichselement gegen radiale Beanspruchung angeordnet, nach Fig. 1 zwei zueinander axial beabstandete Kraftausgleichselemente 11, 12. Diese stehen sowohl mit der radial innen liegenden Wandung des Gelenkgehäuses 9 als auch mit der Außenwandung der Gelenkschale 4 in Kontakt. Die Kraftausgleichselemente 11, 12 sind bei einer Überdeckung zwischen dem umgebenden Hülsenkörper und dem einzupressenden Gelenk 1 wirksam und sorgen dabei für ein Abhalten einer radial einwärts wirkenden Kraft von der Gelenkschale 4. Alternativ wäre auch möglich, daß ein axial durchgehendes Kraftausgleichselement die Gelenkschale 4 hülsenartig über nahezu ihre gesamte Länge umgibt.

In den Figuren 5 und 6 ist der zu verformende Bereich 13, 14 der prinzipiell gleichartigen Kraftausgleichselemente 211, 212 nach Fig. 3 detailliert dargestellt: Bei einer radial in Richtung des Pfeils c wirkenden Kraft können je nach Materialauswahl und -paarung zwei Effekte in unterschiedlicher Stärke stattfinden: Einerseits verformt sich der im Schnitt nasenartig hervorstehende und ringförmig umlaufende Bereich 14 plastisch oder elastisch, andererseits kann sich dieser Bereich 14 in die Innenwandung des umgebenden Gelenkgehäuses 9 eingraben, so daß dieses an der Verformung teilnimmt. In jedem Fall wird äußere Kraft ohne nennenswerte Wegänderung von der weiter innen liegenden Gelenkschale 4 abgehalten. Diese bleibt daher bei hinreichender Paßgenauigkeit von Gelenk 1 und Hülsenkörper verformungsfrei. Das Drehmoment bleibt daher zumindest nahezu unabhängig von der Einpreßüberdeckung. Der Komfort und das Ansprechverhalten zum Beispiel einer mit erfindungsgemäßen Gelenken ausgerüsteten Achse sind dadurch gesteigert. Es wird dadurch möglich, Kunststoffgelenkschalen 4 sehr dünnwandig (zum Beispiel 0,8 Millimeter) und materialsparend auszuführen, was

einerseits Materialkosten spart, andererseits jedoch auch eine verringerte Material¬ elastizität bewirkt und damit eine steilere Kraft-Weg-Kurve des Gelenks 1. Dadurch ergibt sich bei geringer oder gar keiner Krafteinleitung auch keine Beweglichkeit von Teilen 4, 2 des Gelenks 1 in Richtung der Pfeile a oder b. Das Gelenk 1 schlackert nicht und kann sehr präzise auch über einen Dauerbetrieb seine Parameter beibehalten. Zusätzlich ist als Nebeneffekt durch das Eingraben auch die Kugelausreißkraft vergrößert, zudem erfolgt eine weitere Abdichtung gegen Eindringen von Wasser oder Öl. Ebenso können die Kraftausgleichselemente 11, 12 außerhalb der Bereiche 13, 14 verformungsfrei bleiben, wobei sich der Spalt 15 zwischen den Elemente 11, 12 und dem Gelenkgehäuse 9 durch die Radialkraft verringern kann. Die Bereiche 13, 14 dienen dann als Auflager, um die herum die Elemente 11, 12 bei radialer Krafteinleitung leicht einschwenken und ähnlich einer Feder wirken.

Dadurch wird auch nach einer radialen Belastung bei einer Einpreßüberdeckung sichergestellt, daß das Gelenk 1 seine exakten Toleranzen der Gelenkschale 4 beibehält und ohne eine äußere Krafteinleitung keine Wegänderung von Teilen im Gelenk 1 stattfindet. Dies ist bei einer plastischen Verformung der Bereiche 13, 14 insbesondere dann sichergestellt, wenn die Kraftausgleichselemente 11, 12 mindestens die Festigkeit der Gelenkschale 4 aufweisen und somit selbst außerhalb der verformbaren Bereiche 13, 14 eine von der Einpreßkraft unbeeinflußte stabile Halterung der Gelenkschale 4 bieten.

Wie in Fig. 1 sichtbar ist, können die Kraftausgleichselemente 11, 12 einstückig mit jeweils eine axiale Sicherung bewirkenden Abschlußringen ausgebildet sein, die in Nuten 16 des Gelenkgehäuses 9 eingreifen und gegen axialen Auszug durch das Rollen der Randbereiche 10 gesichert sind. Diese Einstückigkeit verringert die Anzahl der verwendeten Teile.

Im Gelenk 101 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) hat die Lagerschale 104 eine geradlinig verlaufende Außenfläche , ist jedoch an ihrer Innenfläche 7 gegenüber Fig. 1 unverändert. Auch die Kraftausgleichselemente 111, 112 sind lediglich an die veränderte Außenkontur der Gelenkschale 4 angepaßt, ohne in ihrer Funktion verändert zu sein.

Ähnliches gilt für ein Gelenk 201 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3: hier ist die Außenfläche 205 der Gelenkschale 204 ebenfalls wie die Innenfläche 7 polygonartig ausgebildet. Die Kraftausgleichselemente 211, 212 sind daran angepaßt.

Das Gelenk 301 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt hingegen als Kraftausgleichselemente 311, 312 zwei Federringe, die insgesamt elastisch verformbar sind und keine gesonderten verformbaren Bereiche 13, 14 benötigen. Sie sind hier getrennt von den axialen Abschlußringen 317, 318 ausgebildet. Auch hier könnte jedoch alternativ eine Einstückigkeit vorliegen. Die Verformung der Kraftausgleichselemente 311, 312 erfolgt hier elastisch und kann daher auch im laufenden Betrieb wirksam sein.

Ansonsten ist es vorteilhaft, wenn die Kraftausgleichselemente 11, 12, 111, 112, 211, 212 nur während des Einpressens Radialkraft abfangen und im nachfolgenden Betrieb keine Radialwege ausführen, die die Kraft-über-Weg-Kurve des Gelenks flacher legen würden.

Gemäß einer weiteren Ausführung nach Fig. 8 ist das Kraftausgleichselement 412 mit einer elastisch deformierbaren Zwischenlage zur Wandung des Gelenkgehäuses 9 versehen. Eine derartige Zwischenlage sorgt dafür, daß auch ohne

äußere Krafteinleitung ein Weg der Teile 2, 204 in Richtung der Pfeile a, b möglich ist und legt insofern die Kraft-Weg-Kurve sehr flach. Andererseits bleibt die Kurve auch über eine hohe Beanspruchung nahezu gleich, so daß die Qualität des Gelenks sich dabei nicht verändert.

In den beiden letzten Ausführungsbeispielen nach den Figuren 9, 10 sind die verformbaren Bereiche wieder als Ausformungen der Kraftausgleichselemente 512, 612 ausgebildet, und zwar hier als drei sägezahnartige Ringausformungen 514 bzw. drei umlaufende Wellenkämme 614. Diese müssen auch nicht in jedem Fall gleich hoch sein.

In jedem Fall hat entweder, wie hier dargestellt, die Gelenkschale 4, 104, 204, 304 über ihren gesamten axialen Verlauf entweder keinen Kontakt zur Innenwandung des umgebenden Gelenkgehäuses 9, oder ist an einer eventuellen Kontaktfläche - nicht gezeichnet - etwa durch eine Sicke auf der gegenüberliegenden, dem Gelenkkörper 2 zugewandten Seite radial einwärts nachgiebig. Eine radiale Einwärtskraft auf das Gelenkgehäuse 9 ist daher für die Funktion der Gelenkschale 4, 104, 204, 304 in jedem Fall nicht einschränkend. Diese wird nicht in ihrer Breite verringert und übt damit keinen erhöhten Druck auf den Gelenkkörper 2 aus.

Bezugszeichenliste

1 Gelenkanordnung/Gelenk/Hülsengelenk

2 Gelenkkörper

3 Ausformung

4 Gelenkschale

5 Außenfläche

6 Achse

7 Innenfläche

8 Schmiermittelreservoirs

9 Gelenkgehäuse

10 axiale Enden/Randbereiche

11, 12 Kraftausgleichselemente

13, 14 Bereich

15 Spalt

101 Gelenk

104 Lagerschale

111, 112 Kraftausgleichselemente

201 Gelenk

204 Gelenkschale

205 Außenfläche

211, 212 Kraftausgleichselemente

301 Gelenk

304 Gelenkschale

311, 312 Kraftausgleichselemente

317, 318 Abschlußringe

412 Kraftausgleichselement

512, 612 Kraftausgleichselemente

514 Ringausformungen

614 Wellenkämme

a Richtungspfeil b Richtungspfeil