DE102008041153A1 - Kreuzgelenk an einer Lenkwelle in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Ein Kreuzgelenk an einer Lenkwelle in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs weist eine Gelenkgabel zur gelenkigen Aufnahme eines Zapfenkreuzes auf. In mindestens einen Gabelarm der Gelenkgabel ist eine Einschubnut eingebracht, die sich vom Gabelarmrand bis zu einer Gelenkausnehmung erstreckt, wobei die Einschubnut einen abgerundeten Querschnitt aufweist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreuzgelenk an einer Lenkwelle in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Lenkwellen in Kraftfahrzeugen werden über stirnseitig angeordnete Kreuzgelenke an weitere Lenksystemkomponenten zur Übertragung der Lenkbewegung angekoppelt. Die Kreuzgelenke bestehen aus einer Gelenkgabel, in die gegenüberliegende Zapfen eines Zapfenkreuzes verschwenkbar einzusetzen sind, das im 90°-Winkelabstand insgesamt vier Zapfen aufweist, welche eine schwenkbare Kopplung mit zwei zu verbindenden Gelenkgabeln ermöglichen. Auf diese Weise wird eine gelenkige Verbindung mit zwei rotatorischen Freiheitsgraden erreicht.
• In der Regel sind die Gelenkgabeln als Schmiedeteile ausgeführt, wodurch zum einen eine hohe Festigkeit und zum andern eine optimale Formgebung bei zugleich optimaler Materialausnutzung gegeben ist. Möglich ist aber auch eine Fertigung der Gelenkgabeln als Aluminium-Strangpressprofile, als gestanzte Blechgabeln oder als kaltfließgepresste Gabeln.
• Die Gelenkgabeln müssen einerseits stabil genug ausgeführt sein, um die im Betrieb auftretenden Kräfte und Momente über einen langen Betriebszeitraum sicher übertragen zu können. Die stabile Ausführung der Gelenkgabeln macht eine verhältnismäßig große Wandstärke im Bereich von Gelenkausnehmungen für das Zapfenkreuz erforderlich.
• Andererseits muss sichergestellt werden, dass das Zapfenkreuz in die Ausnehmungen in den Gelenkgabeln eingeführt werden kann, wofür eine entsprechende lichte Weite zwischen den Gabelarmen der Gelenkgabeln erforderlich ist. Zu berücksichtigen ist außerdem, dass zusätzliche Bauteile wie beispielsweise ein Fettkasten für eine Dauerschmierung der Gelenkteile ebenfalls im Bereich der Gelenkgabeln angeordnet werden müssen, was zu einer weiteren Reduzierung der die Gelenkausnehmung begrenzenden Wandstärke der Gelenkgabeln führt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen ein stabiles und leicht zu montierendes Kreuzgelenk an einer Lenkwelle in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeuges darzustellen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
• Das erfindungsgemäße Kreuzgelenk an einer Lenkwelle in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs ist an der Stirnseite der Lenkwelle angeordnet und umfasst eine Gelenkgabel zur gelenkigen Aufnahme eines Zapfenkreuzes. Die Gelenkgabel weist zwei zumindest annähernd parallele Gabelarme auf, die jeweils mit einer Gelenkausnehmung versehen sind, wobei die beiden Gelenkausnehmungen in den Gabelarmen koaxial zueinander angeordnet sind und zur gelenkigen Aufnahme der Gelenkzapfen des Zapfenkreuzes bzw. einer Nadellagerbüchse für die Gelenkzapfen dienen.
• In mindestens einen Gabelarm der Gelenkgabel ist eine Einschubnut eingebracht, die sich vom Gabelarmrand bis zur Gelenkausnehmung erstreckt, wobei die Einschubnut einen abgerundeten Querschnitt aufweist. Die Einschubnut erlaubt zum einen eine einfache Montage des Kreuzgelenks, da über die Einschubnut das Zapfenkreuz in die gewünschte Endposition in der Gelenkgabel eingeschoben bzw. eingesetzt werden kann. Die seitlichen Wandungen der abgerundeten Einschubnut bewirken im fertig montieren Zustand eine zusätzliche seitliche Abstützung sowohl des Zapfenkreuzes als auch ggf. zusätzlicher Bauelemente wie z. B. einer Nadellagerbüchse zur Aufnahme des Zapfens des Zapfenkreuzes. Insgesamt bleibt durch die abgerundete Einschubnut die Stabilität der Gelenkgabel zumindest in einem wesentlichen Maße erhalten, insbesondere die Festigkeit, die Biegesteifigkeit und die Verdrehsteifigkeit.
• Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass scharfkantige Übergänge zwischen der Einschubnut und dem umgebenden Wandmaterial vermieden werden, wodurch auch die Gefahr von Kerbspannungen reduziert bzw. eliminiert ist. Im Betrieb treten daher geringere Spannungsspitzen auf, so dass die Gefahr von Materialermüdung oder -bruch herabgesetzt ist bzw. geringere Wandstärken verwendet werden können.
• Die verbesserte Stabilität reduziert auch das Verdrehspiel des Zapfenkreuzes in der Gelenkgabel.
• Der abgerundete Querschnitt der Einschubnut ist insbesondere an die Außenkontur des Trägerkörpers des Zapfenkreuzes angepasst, wodurch man optimale Montagebedingungen bei zugleich minimiertem Abtrag von Material beim Herstellen der Einschubnut erhält. Bei der Montage gleitet die Außenkontur des Trägerkörpers des Zapfenkreuzes an der Einschubnut entlang.
• Bevorzugt weist die Einschubnut einen teilkreisförmigen Querschnitt auf und ist an den Kugelradius des teilkugelförmigen Trägerkörpers des Zapfenkreuzes angepasst. Der teilkreisförmige Querschnitt der Einschubnut lässt sich in einfacher Weise durch den Einsatz eines Schaftfräsers herstellen, indem der Schaftfräser senkrecht zur Achse der Gelenkausnehmung in den Gabelarmen bzw. in Längsrichtung der Gabelarme, jedoch mit seitlichem Versatz zur Mittelebene der Gabelarme entlang bewegt wird. Der Radius des Schaftfräsers entspricht dem Radius der Einschubnut.
• Ein weiterer Vorteil der abgerundeten Einschubnut besteht in der reduzierten Verletzungsgefahr für den Monteur. Außerdem können Fertigungsschritte zum Entgraten entfallen. Darüber hinaus ist auch die Beschädigungsgefahr für zusätzliche Bauteile, insbesondere Dichtungselemente bzw. Abdichtmanschetten reduziert.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich die Einschubnut in Längsrichtung der Gabelarme zwischen dem stirnseitigen Rand des Gabelarms und der Gelenkausnehmung. In dieser Ausführung wird lediglich der obere und verhältnismäßig gering belastete Teil des Gabelmaterials zur Erzeugung der Einschubnut abgetragen, wodurch die Stabilität und Festigkeit in geringst möglicher Weise beeinträchtigt wird.
• Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
• 1 eine perspektivische Ansicht einer Lenkwelle zum Einsatz in einem Lenksystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Außenrohr und einer im Außenrohr aufgenommenen, teleskopartig verschiebbaren Innenwelle, wobei am Außenrohr und an der Innenwelle an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils ein Kreuzgelenk zur Ankopplung an weitere Bauteile des Lenksystems angeordnet sind,
• 2 ein Zapfenkreuz als Bestandteil des Kreuzgelenks in perspektivischer Ansicht,
• 3 ein Kreuzgelenk in Einzeldarstellung,
• 4 eine vergrößerte Ansicht des Details IV aus 3 aus dem Bereich eines in einem Nadellager in einer Gelenkgabel aufgenommenen Zapfens des Zapfenkreuzes,
• 5 eine perspektivische Einzeldarstellung einer Gelenkgabel mit einer abgerundeten Einschubnut, welche sich von der Stirnseite der Gabelzinke bis zur Gelenkausnehmung erstreckt,
• 6 eine Draufsicht auf die Gelenkgabel nach 5.
• In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die in 1 dargestellte Lenkwelle 1 ist Teil eines Lenksystems, welches in einem Kraftfahrzeug eingebaut wird, und besteht aus einem Außenrohr 2 sowie einer im Außenrohr verschieblich aufgenommenen Innenwelle 3. Die Innenwelle 3 ist in Achsrichtung teleskopartig im Außenrohr 2 verschiebbar gehalten, jedoch in Umfangsrichtung beispielsweise über Formschlusselemente drehfest mit dem Außenrohr 2 gekoppelt, um Lenkmomente zwischen Außenrohr und Innenwelle übertragen zu können.
• Im Bereich der axial gegenüberliegenden Stirnseiten sind das Außenrohr 2 und die Innenwelle 3 jeweils mit einem Kreuzgelenk 4 bzw. 5 versehen, das eine Gelenkgabel 6 umfasst, die unmittelbar mit dem Außenrohr 2 bzw. der Innenwelle 3 verbunden ist, bspw. angeschweißt ist. Wie dem Kreuzgelenk 4 an der Stirnseite des Außenrohrs 2 in 1 zu entnehmen, umfasst das Kreuzgelenk zusätzlich zu der unmittelbar an der Lenkwelle 1 angekoppelten, ersten Gelenkgabel 6 eine zweite Gelenkgabel 8, wobei die Kopplung mithilfe eines Zapfenkreuzes 7 erfolgt, das zwei rotatorische Freiheitsgrade zwischen den beiden Gelenkgabeln 6 und 8 erlaubt.
• Wie der Einzeldarstellung des Zapfenkreuzes 7 gemäß 2 zu entnehmen, besteht das Zapfenkreuz 7 aus einem teilkugelförmigen Trägerkörper 9 und insgesamt vier vom Trägerkörper 9 radial abragenden Gelenkzapfen 10, die im 90°-Winkel über den Umfang des Trägerkörpers 9 verteilt angeordnet sind. Jeweils zwei diametral gegenüberliegende Gelenkzapfen 10 definieren eine Gelenkachse und werden in Nadellagerbüchsen eingeführt, die in Gelenkausnehmungen in den Gabelarme einer Gelenkgabel angeordnet werden.
• In 3 ist ein Kreuzgelenk 4 mit Gelenkgabeln 6 und 8 dargestellt, die über das Zapfenkreuz 7 miteinander gelenkig verbunden sind. Wie 3 und insbesondere der detaillierten Darstellung nach 4 zu entnehmen, ist die gelenkige Verbindung zwischen dem Zapfenkreuz 7 und den Gelenkgabeln dadurch realisiert, dass ein Gelenkzapfen 10 des Zapfenkreuzes 7 in einer Nadellagerbüchse 11 aufgenommen ist, welche in eine Gelenkausnehmung 14 im Gabelarm 6a eingebracht ist. Die Nadellagerbüchse 11 besteht aus einer Nadellagerbüchsenaußenhülse 12 und darin angeordneten Wälzkörpern 13, die eine Rotation des in die Nadellagerbüchse 11 eingeführten Zapfens 10 um die betreffende Lagerachse ermöglichen. Die Nadellagerbüchse 11 ist in der Gelenkausnehmung 14 des Gabelarms 6a abgestützt ist, um die unter Last entstehenden Kräfte aufnehmen zu können und dadurch ein Schiefstellen der Nadellagerbüchse zu vermeiden.
• In den 5 und 6 ist die Gelenkgabel 6 in Einzeldarstellung gezeigt. In jeden Gabelarm 6a, 6b ist eine Einschubnut 15 eingebracht, die beispielsweise durch Fräsen mit einem Schaftfräser in Längsrichtung der Gabelarme, also senkrecht zur Lagerachse 16 hergestellt wird. Auf Grund dieser Art der Herstellung besitzt die Einschubnut 15, die sich ausschließlich auf der Innenseite jedes Gabelarmes 6a, 6b befindet, einen teilkreisförmigen Querschnitt mit dem Radius r (6), wobei der Kreismittelpunkt des Querschnittes der Einschubnut einen seitlichen Versatz gegenüber einer Symmetrieebene 17 aufweist, zu der die beiden Gabelarme 6a und 6b spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Der Radius r der Einschubnut 15 ist zweckmäßigerweise maximal so groß wie der Durchmesser d der Gelenkausnehmung 14. Die Tiefe der Einschubnut ist so gewählt, dass eine optimale Montage der Zapfenkreuze gewährleistet ist und zugleich die begrenzenden Wandabschnitte am Gabelarm keine signifikante Schwächung erfahren. Die Tiefe der Einschubnut, gesehen in Richtung der Lagerachse 16, beträgt beispielhaft maximal ein Viertel der gesamten Breite b (ebenfalls in Achsrichtung gesehen) der die Gelenkausnehmung 14 begrenzenden Wandung. Außerdem bleiben quer zur Lagerachse 16 ausreichend hohe Nutwandungen bestehen, die für zusätzliche Stabilität der eingesetzten Nadellagerbüchse sorgen.
• Der Radius r der Einschubnut 15 ist insbesondere an den Radius des teilkugelförmigen Trägerkörpers 9 des Zapfenkreuzes 7 (2) angepasst.
• Die Einschubnut 15 erstreckt sich von der oberen freien Stirnseite jedes Gabelarms 6a, 6b bis zur Gelenkausnehmung 14. Dieser Teil der Gelenkarme ist weniger belastet, so dass ein Materialabtrag an dieser Stelle keine negativen Auswirkungen hat.
• Die Einschubnut 15 in den Gabelarmen 6a, 6b kann auch durch ein spanloses Umformen erzeugt werden, beispielsweise durch Kaltfließpressen oder Prägen.

1

Lenkwelle

2

Außenrohr

3

Innenwelle

4

Kreuzgelenk

5

Kreuzgelenk

6

Gelenkgabel

6a

Gabelarm

6b

Gabelarm

7

Zapfenkreuz

8

Gelenkgabel

9

Trägerkörper

10

Gelenkzapfen

11

Nadellagerbüchse

12

Nadellagerbüchsenaußenhülse

13

Wälzkörper

14

Gelenkausnehmung

15

Einschubnut

16

Lagerachse

17

Symmetrieachse

Claims (11)

1. Kreuzgelenk an einer Lenkwelle in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kreuzgelenk (4, 5) an der Stirnseite der Lenkwelle (1) angeordnet ist und eine Gelenkgabel (6) zur gelenkigen Aufnahme eines Zapfenkreuzes (7) umfasst, welches in koaxial ausgerichteten Gelenkausnehmungen (14), die in Gabelarme (6a, 6b) der Gelenkgabel (6) eingebracht sind, drehbar einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens ein Gabelarm (6a, 6b) eine Einschubnut (15) eingebracht ist, die sich vom Gabelarmrand bis zur Gelenkausnehmung (14) erstreckt, wobei die Einschubnut (15) einen abgerundeten Querschnitt aufweist.
2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschubnut (15) einen teilkreisförmigen Querschnitt aufweist.
3. Kreuzgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der Einschubnut (15) an den Kugelradius des teilkugelförmigen Trägerkörpers (9) des Zapfenkreuzes (7) angepasst ist.
4. Kreuzgelenk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der Einschubnut (15) höchstens gleich groß ist wie der Durchmesser (d) der Gelenkausnehmung (14).
5. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschubnut (15) sich in Längsrichtung des Gabelarms (6a, 6b) zwischen dem stirnseitigen Rand des Gabelarms (6a, 6b) und der Gelenkausnehmung (14) erstreckt.
6. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschubnut (15) nur in eine Seite der die Gelenkausnehmung (14) begrenzenden Wandung eingebracht ist.
7. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Einschubnut (15) – in Achsrichtung der Gelenkausnehmung (14) gesehen – höchstens ein Viertel der Breite (b) der die Gelenkausnehmung (14) begrenzenden Wandung beträgt.
8. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Gabelarme (6a, 6b) mit einer Einschubnut (15) versehen sind.
9. Lenksystem mit einer Lenkwelle (1) und einem stirnseitig an der Lenkwelle (1) angeordneten Kreuzgelenk (4, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verfahren zum Herstellen eines Kreuzgelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Einschubnut (15) durch den Einsatz eines Schaftfräsers hergestellt wird.
11. Verfahren zum Herstellen eines Kreuzgelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Einschubnut (15) durch spanloses Umformen hergestellt wird, beispielsweise durch Kaltfließpressen oder Prägen..