DE102011082921A1

DE102011082921A1 - Kugelzapfen und Kugelgelenk

Info

Publication number: DE102011082921A1
Application number: DE102011082921A
Authority: DE
Inventors: Klaus Pape
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-03-21
Also published as: CN102996619A; US20130071174A1; US8573877B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem Kugelzapfen, bzw. einen Kugelzapfen aus Stahl mit einer Gelenkkugel (1). Kugelgelenk bzw. Kugelzapfen eignen sich insbesondere zum Einsatz unter überwiegender Festkörperreibung, beispielsweise bei hoher statischer Vorlast oder bei hoher Betriebslast und geringen Gelenkbewegungen, und weist zumindest in einem Lagerkontaktbereich von Gelenkkugel und Lagerschale keine Nitrierschicht auf. Der Kugelzapfen bzw. das Kugelgelenk zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche des Kugelzapfens zumindest in dem Lagerkontaktbereich der Gelenkkugel eine Oxidschicht als Verschleißschutz aufweist. Die Erfindung stellt kostengünstig herstellbare Kugelzapfen bereit, die eine vorteilhafte Merkmalskombination aus hoher Verschleißbeständigkeit, grundlegendem Korrosionsschutz und hoher Dauerfestigkeit bieten. Der bei Kugelgelenken bisher nur (als Teil der Nitrierbehandlung) zur Verbesserung des Korrosionsschutzes bekannten Oxidschicht wird mit dem Verschleißschutz ein neues Wirkungsfeld erschlossen. Damit wird auch der im Stand der Technik bestehende Ausschluss zwischen einer Erhöhung der Dauerfestigkeit (Randschichthärtung) und einer Verbesserung des Verschleißschutzes (Nitrierung/Oxidation) bei Kugelzapfen überwunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelzapfen aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. ein Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Bei unter statischer Vorlast stehenden Traggelenken, beispielsweise im Fahrwerksbereich am Kraftfahrzeug, ist das tribologische System des Gelenks in bestimmten Situationen (z.B. Ruhezeiten in Kombination mit nur minimalen Gelenkbewegungen, oder Autobahnfahrt) besonders hoch belastet, was unter Umständen zum frühzeitigen Verschleiß oder Ausfall des Gelenks führen kann. Dies hängt damit zusammen, dass das im Kugelgelenk befindliche Schmiermittel in solchen Situationen – durch die hohe Last in Verbindung mit allenfalls geringen Gelenkbewegungen – teilweise aus dem Kontaktbereich zwischen Kugelzapfen und Lagerschale verdrängt wird. Hierdurch verschiebt sich die in einem Kugelgelenk stets gegebene Mischreibung zwischen Flüssigkeitsreibung und Festkörperreibung stärker in Richtung der Festkörperreibung, mit entsprechenden, nachteiligen Folgen für den Gelenkverschleiß. Eine andere bei Kugelgelenken bekannte Problematik liegt in der Korrosion insbesondere im Dichtungsbalg-Abdichtbereich des Kugelzapfens bzw. – beim Eindringen von Feuchtigkeit in das Kugelgelenk – auch im Lagerspalt zwischen Gelenkkugel und Kugelschale. Auch hierdurch ergibt sich ein erhöhter Lagerverschleiß, was schließlich zu Spielbildung und Gelenkausfall führen kann.
Korrosionsgeschützte Kugelzapfen sind, ebenso wie Kugelzapfen mit verschleißgeschützter Oberfläche oder Kugelzapfen mit erhöhter Dauerfestigkeit, aus dem Stand der Technik bekannt. Dauerfestigkeit sowie Verschleißschutz werden gemäß Stand der Technik dabei primär durch die mit Vergütung bzw. Randschichthärtung verbundenen Verbesserungen der Materialeigenschaften erreicht, im Fall der Randschichthärtung insbesondere an der Oberfläche des Kugelzapfens.
Eine bekannte Maßnahme gegen Korrosion im Dichtungsbalg-Abdichtbereich bzw. im Kontaktbereich zwischen Gelenkkugel und Kugelschale besteht im Einsatz von nitrierten und anschließend oxidierten Kugelzapfen. Gemäß bestehender Erkenntnis dient die Nitrierung des Kugelzapfens dabei unmittelbar dem Korrosionsschutz, während die abschließende Oxidation die bei der Nitrierung entstandenen Poren verschließt, wodurch sich die Korrosionsstandzeit nochmals erhöht. Die nach der Nitrierung erfolgende Oxidation dient gemäß bestehender Erkenntnis somit lediglich einer Verbesserung der Korrosionseigenschaften eines ansonsten blanken Kugelzapfens aus Stahl.
In dem aus dem Stand der Technik bekannten Behandlungsverfahren schließen sich Nitrierbehandlung und Randschichthärtung gegenseitig aus. Denn entweder wird die Randschichthärtung – aufgrund der zum Nitrieren notwendigen, hohen Prozesstemperaturen – beeinträchtigt bzw. rückgängig gemacht, oder es wird umgekehrt durch einen Randschichthärtungsprozess die vorherige Nitrierung und damit der Korrosionsschutz wieder zerstört. Das Problem besteht dabei darin, dass die – im Hinblick auf hohe Dauerfestigkeit bzw. hohe Traglast wie auch Verschleißschutz – gewünschte Randschichthärtung des Kugelzapfens typischerweise in denselben Oberflächenbereichen des Zapfens erfolgen soll, den auch die Nitrierbehandlung schützen sollte, nämlich primär im Bereich der Gelenkkugel sowie ggf. im Dichtungsbalg-Abdichtbereich des Kugelzapfens.
Zusammenfassend besteht im Stand der Technik somit das Problem, dass die im Hinblick auf Korrosionsschutz wünschenswerte Nitrierung des Kugelzapfens einerseits, und die im Hinblick auf hohe Lebensdauer bzw. Verschleißschutz erwünschte Randschichthärtung andererseits, einander bei einem Kugelzapfen – gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten Lehre – bisher ausschließen.
Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kugelzapfen bzw. ein Kugelgelenk zu schaffen, bei denen hohe Dauerfestigkeit, guter Verschleißschutz und damit hohe Lebensdauer – insbesondere unter Betriebszuständen mit statischer Vorlast und bei Mikrobewegungen, oder unter hoher Betriebslast – erreicht wird. Ein reduzierter Korrosionsschutz in Teilbereichen des Kugelzapfen z.B. im Abdichtbereich wird dabei zugunsten des Verschleißschutzes in Kauf genommen bzw. durch andere technische Lösungen wie zum Beispiel einem zusätzlichen korrosionsgeschützen Gleitring kompensiert. Insbesondere jedoch soll der bisher beim Stand der Technik bestehende gegenseitige Ausschluss zwischen Randschichthärtung einerseits, und Nitrierung/Oxidation andererseits überwunden werden, um so einen verbesserten Verschleißschutz auch bei randschichtgehärteten Zapfen überhaupt erst zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kugelzapfen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bzw. durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen von Patentanspruch 2 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Kugelzapfen besteht aus Stahl, weist zumindest in einem Lagerkontaktbereich von Gelenkkugel und Lagerschale keine Nitrierschicht auf, und ist zum Einsatz bei hoher statischer Vorlast und/oder bei Mikrobewegungen und hoher Betriebslast vorgesehen, also bei geringer oder ausbleibender Gelenkbewegung bzw. bei zumindest zeitweise überwiegender Festkörperreibung im Gelenkspalt.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk zeichnen sich dadurch aus, dass auf der Oberfläche des Kugelzapfens zumindest im Lagerkontaktbereich der Gelenkkugel eine Oxidschicht angeordnet ist, wobei die Oxidschicht einem Verschleißschutz für den Kugelzapfen bzw. das Kugelgelenk bildet.
Der Hintergrund der Erfindung besteht dabei in der Erkenntnis der Anmelderin, gemäß der ein lediglich mit einer Oxidschicht versehener Lagerkontaktbereich einer Gelenkkugel, die somit – anders als im Stand der Technik allgemein üblich und gefordert – keine Nitrierschicht aufweist, nicht nur vorteilhafte Korrosionsschutzeigenschaften ermöglicht, sondern darüber hinaus auch zu einem maßgeblich verbesserten Verschleißverhalten des Kugelgelenks führt. Dies gilt insbesondere beim Einsatz eines Kugelgelenks unter den eingangs beschriebenen Bedingungen überwiegender Festkörperreibung, also beispielsweise bei längeren Ruhezeiten unter Last bzw. in Betriebszeiten, in denen hauptsächlich Mikrobewegungen des Gelenks auftreten.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass dank der Erkenntnis der Anmelderin auf das Nitrieren insbesondere der Gelenkkugel (zum Zweck der Verbesserung des Verschleißverhaltens der Lagerung) verzichtet werden kann, da bereits die Oxidation dieses Oberflächenbereichs für sich genommen das Verschleißverhalten des Kugelgelenks in der gewünschten positiven Weise verbessert.
Es können dank der Erfindung somit Kugelzapfen mit der gewünschten Eignung zum verschleißgeschützten Einsatz insbesondere bei überwiegender Festkörperreibung (unter hoher statischer Vorlast bzw. im Betrieb mit Mikrobewegungen) ausgestattet werden, ohne dass hierzu eine aufwändige und teure Nitrierung durchgeführt werden müsste. Dank des Wegfalls der Nitrierung – bei gleichzeitig mit der Oxidation erreichtem Verschleißschutz gegenüber einem blanken Zapfen – sind dank der Erfindung zudem auch die Möglichkeiten für eine etwaige Randschichthärtung eines verschleißgeschützten Kugelzapfens nicht länger beeinträchtigt, wie dies beim Stand der Technik grundsätzlich der Fall war. Mit anderen Worten schließen sich dank der Erfindung die Optimierung sowohl der Dauerfestigkeit als auch des Verschleißschutzes bei einem Kugelzapfen nicht länger gegenseitig aus.
Die Erfindung stellt somit verschleißbeständige Kugelzapfen mit elementarem Korrosionsschutz bereit, bei denen zudem kein Ausschluss zwischen Verschleißschutz und einer etwaigen Randschichthärtung mehr besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist dabei nicht nur der Lagerkontaktbereich von Gelenkkugel und Lagerschale, sondern die gesamte Oberfläche des Kugelzapfens keine Nitrierschicht auf. Vorzugsweise ist dabei die gesamte Oberfläche des Kugelzapfens mit einer Oxidschicht versehen.
Auf diese Weise lassen sich hochwertige Kugelzapfen mit einer vorteilhaften Merkmalskombination zur Erfüllung des Anforderungspolygons aus hoher Dauerfestigkeit, hoher Verschleißbeständigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit darstellen, die dank des vollständigen Entfalls der Nitrierschicht bzw. der Nitrierbehandlung zudem auch noch deutlich kostengünstiger produziert werden können. Da sich (im Unterschied zur Nitrierung) Oxidation und weitere Oberflächenbehandlungen, insbesondere Randschichthärtung, gegenseitig nicht ausschließen, kann der gesamte Kugelzapfen oxidiert werden, was – im Sinne einer einfachen Prozessführung – sowohl weitere Kosten einspart, als auch den gesamten Zapfen gegen Korrosion schützt.
Mit dem Hintergrund der entfallenen Nitrierung zeichnet sich der Kugelzapfen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich durch eine Randschichthärtung aus. Dabei bestehen – dank der Erfindung und im Gegensatz zum Stand der Technik – keine Widersprüche mehr zwischen der Anforderung einer großen Oberflächenhärte bzw. Dauerfestigkeit einerseits (mittels Randschichthärtung) und einer hohen Verschleißbeständigkeit bzw. Tauglichkeit zum Einsatz bei Mangelschmierung (mittels Oxidation).
Auf diese Weise können somit die divergierenden (und sich im Stand der Technik noch gegenseitig ausschließenden) Anforderungen an einen Kugelzapfen, sowohl bezüglich Härte/Dauerfestigkeit und Korrosionsschutz als auch bezüglich Verschleißbeständigkeit durch eine Kombination aus Oxidation (Verschleißschutz und Korrosionsschutz) und Randschichthärtung (Dauerfestigkeit) erfüllt werden.
Insbesondere können – im Unterschied zum Stand der Technik – nunmehr auch randschichtgehärtete und damit besonders betriebs- und dauerfeste Kugelzapfen mit einem zusätzlichen Verschleißschutz und damit mit der Eignung zum Einsatz bei überwiegender Festkörperreibung (bei hoher Vorlast bzw. bei Mikrobewegungen) versehen werden, was gemäß der Lehre des Standes der Technik – aufgrund des gegenseitigen Ausschlusses von Randschichthärtung und Nitrierung, sowie aufgrund der bisher nicht bekannten Eignung der Oxidation als Verschleißschutz – bisher ausgeschlossen war.
Gleichzeitig lassen sich die Herstellungskosten eines dergestalt verschleißgeschützten, hochfesten Kugelzapfens durch den Wegfall des Nitriervorgangs (der eine aufwändige Prozessführung und eine vergleichsweise lange Prozesszeit erfordern würde) reduzieren, während der Oxidationsvorgang eine deutlich kürzere Prozesszeit in Anspruch nimmt, und damit wesentlich kostengünstiger dargestellt werden kann.
Die Randschichthärtung kann sich dabei über den gesamten Kugelzapfen erstrecken. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Randschichthärtung des Kugelzapfens jedoch lediglich über einen Teilbereich der Oberfläche des Kugelzapfens, vorzugsweise über einen Halsbereich, einen Abdichtungsbereich sowie zumindest teilweise über einen Schaftbereich des Kugelzapfens.
Auf diese Weise können somit insbesondere diejenigen Bereiche des Kugelzapfens eine Randschichthärtung erhalten, bei denen die Oberflächenhärte bzw. Dauerfestigkeit im Vordergrund steht. Dies gilt beispielsweise für den besonders hoch (auf Wechselbiegung) belasteten Kugelhals sowie für Teilbereiche des Kugelschafts.
Der Kugelzapfen kann gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zudem auch zumindest bereichsweise poliert und/oder vergütet sein. Der Poliervorgang kann dabei wahlweise vor, aber auch nach einem etwaigen Randschichthärten vorgenommen werden, letzteres insbesondere falls besonders hohe Anforderungen an Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und/oder Festigkeit in randschichtgehärteten Bereichen gestellt werden. Der polierte Bereich kann dabei insbesondere die gesamte Gelenkkugel sowie den Halsbereich und den Abdichtungsbereich des Kugelzapfens umfassen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellender Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige
Fig.: einen Kugelzapfen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht.
Man erkennt den Kugelzapfen, der eine Gelenkkugel 1, einen Schaftbereich 2, einen Halsbereich 3, einen Abdichtungsbereich 4 (zur Anlage eines Dichtungsbalgs) und einen Gewindebereich 5 aufweist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel für einen Kugelzapfen besitzt dabei über seine gesamte Länge bzw. Oberfläche 7 eine Oxidschicht. Die Oxidschicht führt einerseits zu einer Verbesserung des Korrosionsschutzes, erhöht jedoch andererseits – gemäß der neuen Erkenntnis der Anmelderin – insbesondere auch die Verschleißbeständigkeit im Lagerkontaktbereich 6 zwischen Gelenkkugel 1 und der (nicht abgebildeten) Kugelschale des Kugelgelenks. Damit eignet sich der dargestellte Kugelzapfen besonders zum Einsatz bei hoher statischer Vorlast und/oder für Betriebszeiten mit Mikrobewegungen, in denen die Festkörperreibung zwischen Kugelzapfen und Kugelschale überwiegt.
Der dargestellte Kugelzapfen ist dabei in dem (auch mit strichpunktierter Linie kenntlich gemachten) Bereich 8 zusätzlich mit einer Randschichthärtung versehen. In diesem Bereich treten die höchsten mechanischen Belastungen auf, denen mit der Randschichthärtung 8, im Hinblick auf die Erhöhung der Dauerfestigkeit des Kugelzapfens, zusätzlich Rechnung getragen wird.
Schließlich weist die dargestellte Ausführungsform des Kugelzapfens noch einen Polierbereich 9 auf. Durch die Politur des Kugelzapfens im Bereich 9 erhöht sich weiter sowohl die Korrosionsbeständigkeit als auch die Verschleißbeständigkeit und die Dauerfestigkeit.
Dank der Erfindung kann der Kugelzapfen somit in den jeweils spezifischen Anforderungen unterliegenden Abschnitten bzw. Oberflächenbereichen mit den jeweils geforderten Eigenschaften versehen werden, ohne dass dabei funktionelle Konflikte oder (wie beim Stand der Technik) gegenseitige Ausschlüsse bei der Oberflächenbehandlung bzw. bei der Erfüllung der Anforderungsprofile auftreten.
Bezugszeichenliste

1: Gelenkkugel
2: Schaftbereich
3: Halsbereich
4: Abdichtungsbereich
5: Gewindebereich
6: Lagerkontaktbereich
7: oxidierter Bereich
8: Härtezone
9: Polierbereich

Claims

Stahl-Kugelzapfen mit einer Gelenkkugel (1), für ein Kugelgelenk mit Lagerschale, zum Einsatz bei hoher statischer Vorlast oder bei hoher Betriebslast, wobei die Oberfläche des Kugelzapfens zumindest in einem Lagerkontaktbereich (6) von Gelenkkugel und Lagerschale keine Nitrierschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kugelzapfens zumindest in dem Lagerkontaktbereich (6) der Gelenkkugel (1) eine Oxidschicht als Verschleißschutz aufweist.
Kugelgelenk zum Einsatz bei hoher statischer Vorlast mit Lagerschale und Stahl-Kugelzapfen mit Gelenkkugel (1), wobei die Oberfläche des Kugelzapfens zumindest in einem Lagerkontaktbereich (6) von Gelenkkugel (1) und Lagerschale keine Nitrierschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kugelzapfens zumindest in dem Lagerkontaktbereich (6) der Gelenkkugel (1) eine Oxidschicht als Verschleißschutz aufweist.
Kugelzapfen nach Anspruch 1 oder Kugelgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche (7) des Kugelzapfens keine Nitrierschicht aufweist.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche (7) des Kugelzapfens eine Oxidschicht aufweist.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelzapfen eine Randschichthärtung (8) aufweist.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschichthärtung (8) des Kugelzapfens nur einen Teilbereich der Oberfläche des Kugelzapfens umfasst.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich der Randschichthärtung (8) des Kugelzapfens über einen Halsbereich (3), einen Abdichtungsbereich (4) sowie zumindest teilweise über einen Schaftbereich (2) des Kugelzapfens erstreckt.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kugelzapfens zumindest bereichsweise poliert (9) ist.
Kugelzapfen bzw. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelzapfen zumindest bereichsweise vergütet ist.