DE102004009906B3 - Wälzlager mit einstellbarer Kraftübertragung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, vorzugsweise für eine Lenksäule, wobei das Lager aus mindestens einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring, welche jeweils mindestens eine Lauffläche aufweisen, wobei zwischen den Laufflächen eine Vielzahl an Wälzkörper angeordnet sind, und zwischen den Lagerringen eine Lagerzwischenraum entsteht, wobei im Lagerzwischenraum eine rheologisch aktive Substanz eingelagert ist, und Mittel zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes im Bereich der rheologisch aktiven Substanz vorliegen, um die Viskosität der rheologischen Flüssigkeit und damit den Kraftschluss zwischen den Lagerringen je nach Feldzustand verändern.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, vorzugsweise für eine Lenksäule, wobei das Lager aus mindestens einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring besteht, jeder Lagering jeweils mindestens eine Lauffläche aufweist, zwischen den Laufflächen eine Vielzahl von Wälzkörpern angeordnet ist, und zwischen den Lagerringen ein Lagerzwischenraum entsteht.
- Solche Lager sind allgemein bekannt und werden meist dazu benutzt, eine Welle gegenüber einem feststehenden Bauteil zu lagern oder zwei Wellen gegeneinander zu lagern, wobei in der Regel eine möglichst reibungsfreie Drehbarkeit der Wellen erwünscht ist. In besonderen Fällen kann es jedoch von Vorteil sein, wenn das über das Wälzlager übertragene Drehmoment variabel einstellbar und insbesondere nach Bedarf zu erhöhen ist. Beispielsweise besteht hierdurch die Möglichkeit, das Lenkgefühl an den jeweils aktuellen Fahrzustand des Fahrzeuges anzupassen. Grundsätzlich ist eine solche Anpassung durch eine verstellbare Reibbremse möglich, allerdings haben diese Vorrichtungen das Problem einer gewissen Anfälligkeit gegen mechanischen Verschleiß und bedingen auch einen zusätzlichen Konstruktionsaufwand und eine zusätzliche Anzahl von Bauteilen.
- Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der US 2002/0189888 A1 offenbart, wobei die Lenksäule mit einem Wälzlager gelagert ist, welches aus einem ersten und einem zweiten Lagerring besteht. Beide Lageringe weisen jeweils eine Lauffläche auf, wobei zwischen den Laufringen eine Vielzahl von Wälzkörpern angeordnet sind und zwischen den Lagerringen ein Lagerzwischenraum ausgebildet ist. An der Lenksäule ist des Weiteren in nachteiliger Weise eine zusätzliche, einen großen Bauraum benötigende elektromechanische Bremse angeordnet, wobei das Drehmoment mit einer magnetisch-rheologischen Flüssigkeit beeinflusst werden kann.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager zu finden, welches bezüglich seiner Drehmomentübertragung variabel gestaltet ist, so dass je nach Bedarf ein möglichst hoher Kraftschluss zwischen den Lagerringen bestehen kann oder im anderen Bedarfsfall eine möglichst geringe Kraftübertragung zwischen den Lagerringen erreicht wird.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
- Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, ein an sich bekanntes Wälzlager, welches im Regelfall dazu dient, Drehbewegungen zu entkoppeln, auch dazu zu verwenden Drehbewegungen zu übertragen, wenn die Möglichkeit besteht, die Lagerreibung je nach Wunsch beliebig zu erhöhen beziehungsweise zu reduzieren. Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass sich magneto-rheologische oder elektro-rheologische Substanzen, die als Füllmittel im Bereich der Wälzkörper verwendet werden können, besonders gut dazu eignen, ein Wälzlager bezüglich seiner Übertragungsfähigkeit von Drehmomenten einstellbar zu gestalten.
- Magneto-rheologische und elektro-rheologische Substanzen sind allgemein bekannt. Bei diesen Substanzen handelt es sich meist um Flüssigkeiten, gel-artige Suspensionen oder ähnliche Substanzen, die durch das Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes bezüglicher ihrer Viskosität erhebliche Änderungen erfahren, gegebenenfalls sogar vom flüssigen in den festen Aggregatszustand übergehen. Werden die Lagerzwischenräume eines Wälzlagers mit einer derartigen Substanz gefüllt und eine Feldänderung erzeugt, die zu einem wesentlichen Anstieg der Viskosität, gegebenenfalls sogar zu einer Änderung des Aggregatszustandes von flüssig nach fest, führen, so wird der Widerstand des Wälzlagers erheblich erhöht, so dass dadurch auch die übertragbaren Drehmomente durch das Wälzlager sich drastisch erhöhen. Umgekehrt gilt das entsprechende Verhalten. Derartige Wälzlager mit einstellbarer Kraftübertragung eignen sich besonders gut für Lenksäulen, vorzugsweise mit Lenksäulenverstelleinrichtungen, wie sie beispielsweise in der Patentschrift
DE 196 41 152 C2 dargestellt werden. Durch diese auf einfache Weise einstellbare Kraftübertragung kann die Freigängigkeit der Lenkung variabel eingestellt werden, ohne besondere mechanische Teile zu benötigen, die als verschleißanfällige Reibkupplung agieren. - Speziell für diesen Anwendungsfall, jedoch auch für andere Anwendungsfälle, schlagen die Erfinder vor, ein an sich bekanntes Wälzlager, mit mindestens einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring, wobei jeder Lagerring mindestens eine Lauffläche aufweist und zwischen den Laufflächen eine Vielzahl von Wälzkörpern angeordnet ist, dahingehend zu verbessern, dass zwischen den Laufflächen eine rheologisch aktive Substanz eingelagert ist und Mittel zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes im Bereich der rheologisch aktiven Substanz vorliegen, um die Viskosität der rheologischen Flüssigkeit und damit den Kraftschluss zwischen den Lagerringen je nach Feldzustand zu verändern.
- In einer bevorzugten Ausführungsform können Dichtungen zur Abdichtung des Lagers angebracht sein, um ein Auslaufen der rheologisch aktiven Substanz und Lagerschmierung zu verhindern. Auch kann im Bereich der Wälzkörper ein Lagerkäfig angeordnet sein, der die Wälzkörper relativ zueinander positioniert. Der Lagerkäfig unterstützt allerdings auch die Kraftübertragung bei erhöhter Viskosität der rheologisch aktiven Substanz durch zusätzliche Reibflächen.
- Es besteht auch die Möglichkeit, dass der mindestens eine Innenraum durch ein zusätzliches Gehäuse nach außen abgedichtet ist.
- Bezüglich der verschiedenen möglichen Lagerbauarten wird auf den bekannten Stand der Technik, insbesondere auf Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, ISBN 3-540-12418-7, insbesondere das Kapitel 5.1, Wälzlager-Bauformen, verwiesen. Die möglichen Ausführungsformen sind demgemäß im wesentlichen Kugel- oder Rollenlager, wobei diese Typen als Radiallager oder Axiallager mit diversen speziellen Ausbildungen möglich sind. Die vorhandene Typenvielfalt kann beispielsweise in den Katalogen der einschlägigen Lagerhersteller entnommen werden. Eine Einschränkung der Erfindung auf bestimmte Lagertypen ist nicht beabsichtigt.
- Erfindungsgemäß kann weiterhin als Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes ein schaltbarer Elektromagnet zur variablen Erzeugung des Feldes verwendet werden oder es können mindestens zwei gegeneinander verdrehbare oder verschiebbare Permanentmagnete vorgesehen werden, die aufgrund ihrer Ausrichtung das Magnetfeld in der rheologischen Flüssigkeit verstärken oder abschwächen können.
- Zur variabeln Erzeugung eines elektrischen Feldes kann ein Kondensator, vorzugsweise ein Plattenkondensator, genutzt werden, durch den ein elektrisches Feld im Bereich der rheologischen Flüssigkeit erzeugt werden kann.
- Günstig kann es auch sein, wenn das Gehäuse aus einem nichtmagnetisierbaren Material, vorzugsweise aus Kunststoff, besteht, da hierdurch eine Abschwächung des Magnetfeldes beim Durchtritt durch dieses Material weitgehend verhindert wird.
- Soll eine zusätzliche Erhöhung des möglichen übertragbaren Drehmomentes zwischen den Lagerringen erreicht werden, so können zusätzlich an den Lagerringen besondere jeweils zueinander beabstandete Reibflächen vorgesehen werden, wobei zwischen den so entstandenen Zwischenräumen sich ebenfalls rheologisch aktive Substanz befindet, die bei einer Umschaltung auf hohe Viskosität eine zusätzliche Kraftübertragung zwischen den Lagerringen ermöglicht. Werden diese Reibflächen außerdem mit Erhöhungen und Vertiefungen oder Durchbrüchen ausgeführt, so wird die Kraftübertragung zusätzlich verbessert.
- Wird eine erfindungsgemäße Lagerung beispielsweise bei einer Lenksäule verwendet, so kann alleine durch die Erhöhung der Viskosität das gesetzlich vorgeschriebene Mindestdrehmoment von über 100 Nm erreicht werden, mit dem eine Lenksäule im abgesperrten Zustand mindestens blockiert werden muss. Da hier keine mechanisch abnutzbaren Elemente, wie beispielsweise eine Reibkupplung, verwendet werden, ist es auch problemlos möglich, das vorgeschriebene Mindestdrehmoment nach mehreren Drehzyklen aufrechtzuerhalten. Im Sinne der Erfindung kann also die Verstellbarkeit der Kraftübertragung nicht nur dazu genutzt werden, im Fahrbetrieb eine unterschiedliche Dämpfung der Lenkung zu erzeugen, um beispielsweise bei höheren Geschwindigkeiten eine schwergängigere Lenkung zu simulieren und bei niedrigen Geschwindigkeiten oder Stillstand möglichst geringe Lenkkräfte einzustellen, sondern es kann auch eine separate Sperreinrichtung (Lenkradschloss) durch die spezielle erfindungsgemäße Ausgestaltung des Lagers eingespart werden.
- Es ist darauf hinzuweisen, dass unter einer rheologisch aktiven Substanz ein Medium verstanden wird, welches durch das Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes seine Viskosität im Bereich mehrerer Millipascalsekunden [mPa s] verändern kann. Nicht darunter zu verstehen sind Substanzen, deren Viskosität sich im wesentlichen nur aufgrund von variablen Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Druck, ändert.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellen dar:
-
1 : Kugellager mit magnetisch einstellbarer Kraftübertragung im Längsschnitt; -
2 : Zylinderrollenlager mit magnetisch einstellbarer Kraftübertragung im Längsschnitt; -
3 : Querschnitt durch Kugellager mit Elektromagnet; -
4 : Lenksäule mit Lenksäulenverstelleinrichtung mit drei erfindungsgemäßen Lagerungen mit verstellbarer Kraftübertragung; -
5 : Ausschnitt aus der Lenksäule aus der4 ; -
6 : Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kugellager mit zusätzlichen Reibflächen; -
7 : Längsschnitt durch Lenksäulenverstelleinrichtung. - Die
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagers, hier eines Kugellagers1 , welches zur Lagerung einer Welle11 dient. Das Kugellager1 besteht aus einem Außenring2 und einem Innenring3 , die zwischen sich einen Lagerzwischenraum6 bilden. Jeweils gegenüberliegend sind an dem Außenring2 und dem Innenring3 Laufflächen für die Wälzkörper, die hier als Kugel4 ausgebildet sind, vorgesehen. Der Lagerzwischenraum6 wird seitlich über Abdichtungen5 abgedichtet, um ein Auslaufen der rheologisch aktiven Substanz zu verhindern, die sich im Lagerzwischenraum befindet. In unmittelbarer Nähe des Lageraußenringes2 ist ein Elektromagnet8 mit Wicklungen10 und elektrischen Anschlüssen9 befestigt. Sobald die Wicklung10 mit Strom beschickt wird, entsteht im Lagerzwischenraum6 ein Magnetfeld, welches auch über den Außenring2 des Lagers übertragen wird und die rheologisch aktive Substanz, die sich im Lagerzwischenraum6 befindet, wird in ihrer Viskosität beeinflusst. - Die rheologisch aktive Substanz kann so ausgeführt sein, dass sie im niederviskosen Bereich als Schmiermittel für das Wälzlager
1 dient und im Fall der Aktivierung des Elektromagneten, aufgrund des dann im Lager auftretenden Magnetfeldes, durch die ihre höhere Viskosität die Reibung zwischen Lageraußenring2 und Lagerinnenring3 stark erhöht. - Eine ähnliche Wälzlagerung ist in der
2 dargestellt. Hierbei handelt es sich beispielhaft um ein Zylinderrollenlager, wobei jedoch grundsätzlich eine ähnliche Ausführung wie in1 gezeigt ist. Im Gegensatz zu1 ist jedoch nicht ein einzelner senkrecht zur Welle11 stehender Elektromagnet, sondern ein Magnetkern verwendet worden, der ringförmig um den Außenring2 der Wälzlagerung verläuft. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Magnetfeld wesentlich gleichmäßiger über den gesamten Lagerzwischenraum6 verläuft und damit die dort befindliche rheologisch aktive Substanz wesentlich gleichmäßiger bezüglich ihrer Viskosität beeinflusst werden kann. - In der
3 ist ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Wälzlager aus1 mit dem seitlich am Außenring2 angeordneten Elektromagneten8 dargestellt. Es ist darauf hinzuweisen, dass es auch im Rahmen der Erfindung liegt, wenn mehrere Magnete sternförmig um den Lageraußenring2 angeordnet werden. Wesentlich ist lediglich, dass eine Änderung des magnetischen Feldes im Lagerzwischenraum, in dem sich die rheologisch aktive Substanz befindet, erreicht wird. - Die
4 zeigt eine Lenksäule mit Verstelleinrichtung, welche an drei Stellen A, B und C mit Wälzlagern ausgestattet ist, die die Lenkachse lagern und gleichzeitig über Magnete8 bezüglich ihrer Kraftübertragung zwischen dem äußeren Gehäuse und der innenliegenden Lenkachse einstellbar sind. - Erfindungsgemäß kann durch derartige Lagerungen entweder eine gesetzlich vorgeschriebene Verdrehsicherung mit > 100 Nm erreicht werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, durch eine kontinuierliche Veränderung des Magnetfeldes über die Elektromagneten
8 das Lenkgefühl zu variieren. Beispielsweise kann hier bei höheren Geschwindigkeiten eine stärke Reibung erzeugt werden, welche zu einer schwergängigen Lenkung führt, während bei geringen Geschwindigkeiten eine möglichst leichtgängige Lenkung durch ein Ausschalten des Elektromagneten8 ermöglicht wird. Im Sinne der Erfindung kann auch eine kontinuierliche Veränderung der Lenkkräfte, je nach Geschwindigkeit, Fahrbahnzustand oder sonstigen Fahrzuständen, eingestellt werden. - Zur Verdeutlichung ist in der
5 die Position A der Lenksäule vergrößert dargestellt worden. Hierbei ist das Wälzlager mit dem Außenring2 und dem Innenring3 und den dazwischen angeordneten Wälzkörpern4 zu erkennen, wobei einseitig am Außenring2 des Lagers ein Elektromagnet8 angebracht ist, der je nach Stärke des darin erzeugten Magnetfeldes eine Viskositätsänderung der rheologisch aktiven Substanz im Lagerzwischenraum6 des Lagers herbeiführt. - Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wälzlagers ist in der
6 dargestellt. Diese zeigt grundsätzlich ein Kugellager, ähnlich der1 , mit außen angeordnetem Elektromagn0eten8 . Zusätzlich weisen jedoch der Lageraußenring2 und der Lagerinnenring3 in den Lagerinnenraum6 hereinstehende Reibflächen12 auf, die zusätzlich noch auf ihrer Oberfläche strukturiert ausgeführt sein können, oder in der Art von gegeneinander stehenden Sägezahnen oder ähnlichen Strukturen ausgeführt sein können. Durch diese zusätzlichen Reibflächen12 besteht die Möglichkeit, die maximal erreichbare Kraftübertragung zwischen dem Lageraußenring2 und dem Lagerinnenring3 entsprechend den gewünschten Anforderungen anzupassen. - Schließlich ist in der
7 nochmals eine Lenksäulenverstelleinrichtung im Längsschnitt dargestellt. Hier ist die erfindungsgemäße Kopplung der beiden Verstelleinheiten13 für die Längsverstellung und14 für die Neigungsverstellung der Lenksäule gezeigt, die beide durch eine gemeinsame Spindelwelle11 angetrieben werden. Die Kopplung der beiden Verstelleinheiten mit der Spindelwelle11 erfolgt über die beiden erfindungsgemäß ausgestalteten Lager1 , die mit ihrem Lageraußenring mit dem Gehäuse15 der Verstelleinrichtung und dem Lagerinnenring mit der Spindelmutter16 verbunden sind. Die Spindelmutter ist in bekannter Weise mit einem zum Spindelgewinde entsprechenden Gewinde versehen. Solange die Magnete8 nicht aktiviert und damit die rheologisch aktive Substanz in den Lagern1 niederviskos eingestellt sind, können die Innenringe der Lager1 und damit auch die Spindelmuttern16 frei drehen, so dass bei einer Drehung der Spindelwelle11 keine Lateralverschiebung der Verstelleinheiten bewirkt wird. Sobald jedoch über einen der Magnete8 die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz im zugeordneten Lager1 erhöht wird, erfolgt ein Kraftschluss zwischen Innenring3 und Außenring2 , welches wiederum eine Verbindung zwischen Spindelmutter16 und Gehäuse15 bewirkt, so dass die Drehung der Spindel11 zu einer Lateralverschiebung der jeweiligen Verstelleinheiten13 oder14 und damit zu einer gezielten Längsverstellung oder Neigungsverstellung der Lenksäule führt. - Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.
- Insgesamt wird also durch diese Erfindung ein Wälzlager, insbesondere die Lagerung für eine Lenksäule, vorgestellt, welche durch das Einbringen von rheologisch aktiver Flüssigkeit in den Lagerzwischenraum geeignet ist, in einstellbarer Weise die Kraftübertragung über das Lager zu verändern, indem im Bereich des Lagerinnenraums mit der dort befindlichen rheologisch aktiven Substanz unterschiedlich starke Magnetfelder über Elektromagneten eingestellt werden. Alternativ zu den Magnetfeldern können auch elektrischer Felder verwendet werden.
-
- 1
- Wälzlager
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Wälzkörper/Kugel/Zylinder
- 5
- Abdichtung
- 6
- Lagerzwischenraum
- 7
- Lauffläche
- 8
- Elektromagnet
- 9
- Elektrischer Anschluss
- 10
- Wicklung
- 11
- Welle/Spindel
- 12
- Reibfläche
- 13
- Verstelleinheit zur Längsverstellung
- 14
- Verstelleinheit zur Neigungsverstellung
- 15
- Gehäuse
- 16
- Spindelmutter
Claims (14)
- Wälzlager (
1 ), vorzugsweise für eine Lenksäule, wobei das Lager (1 ) aus mindestens einem ersten Lagerring (2 ) und einem zweiten Lagerring (3 ), welche jeweils mindestens eine Lauffläche (7 ) aufweisen, wobei zwischen den Laufflächen (7 ) eine Vielzahl an Wälzkörpern angeordnet sind, und zwischen den Lagerringen (2 ,3 ) ein Lagerzwischenraum (6 ) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass im Lagerzwischenraum (6 ) eine rheologisch aktive Substanz eingelagert ist, und Mittel (8 ) zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes im Bereich der rheologisch aktiven Substanz vorliegen, um die Viskosität der rheologischen Flüssigkeit und damit den Kraftschluss zwischen den Lagerringen je nach Feldzustand zu verändern. - Wälzlager gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungen (
5 ) zur Abdichtung des Lagers angebracht sind. - Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wälzkörper ein Lagerkäfig angeordnet ist.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lagerzwischenraum (
6 ) durch ein Gehäuse nach außen abgedichtet ist. - Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager als Kugellager ausgebildet ist.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager als Rollenlager ausgebildet ist.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager als Radiallager ausgebildet ist.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager als Axiallager ausgebildet ist.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein schaltbarer Elektromagnet (
8 ) zur variablen Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen ist. - Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gegeneinander verdrehbare oder verschiebbare Permanentmagnete vorgesehen sind, die aufgrund ihrer Ausrichtung das Feld in der rheologischen Flüssigkeit verstärken oder abschwächen können.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur variablen Erzeugung eines elektrischen Feldes ein Kondensator vorgesehen ist.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus nichtmagnetisierbarem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, besteht.
- Wälzlager gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe zusätzliche, beabstandete Reibflächen (
12 ) aufweisen, zwischen denen sich die rheologisch aktive Substanz befindet. - Wälzlager gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibflächen (
12 ) Ausbuchtungen und/oder Vertiefungen aufweisen.
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Effective date: 20110901 |