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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Klemmvorrichtung zur Lagefixierung einer
in ihrer Länge
und/oder Neigung verstellbaren Fahrzeuglenksäule, die in Tragarmen einer
ortsfesten Konsole geführt
ist und einen Zugbolzen umfasst, der sich rechtwinklig zu der Lenksäule zwischen
den Tragarmen erstreckt, wobei an dem Zugbolzen eine mit Klemmrampen
versehene Rampenscheibe koaxial angeordnet ist, deren Klemmrampen
jeweils eine Kontur aufweisen, die sich in Umfangsrichtung von einer
Lösestellung
zu einer Klemmstellung kontinuierlich verändert, und wobei an den Klemmrampen
in Klemmrichtung der Rampenscheibe Wälzkörper abgestützt sind, die an einem an dem
Zugbolzen drehbar angeordneten Führungskäfig geführt sind,
welcher mittels eines manuell betätigbaren Handhebels verdrehbar
ist, wobei die Tragarme sich bei Drehung des Führungskäfigs in einer Drehrichtung
zum Klemmen der Lenksäule
aneinander annähern
und in der anderen Drehrichtung zum Lösen der Lenksäule voneinander
entfernen.
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Eine
solche Klemmvorrichtung ist aus der Druckschrift
DE 196 40 196 C1 bekannt.
Sie weist jedoch sehr viele Einzelteile auf und ist daher kostenaufwendig.
Während
der Verstellung der dort verwendeten, als Rampenscheibe ausgebildeten Klemmscheibe
liegen gleitende und rollende Reibverhältnisse an den Wälzkörpern vor.
Zur Verringerung der Betätigungskräfte ist
dort außerdem
ein Axiallager erforderlich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klemmvorrichtung zu schaffen,
bei welcher während
der Betätigung
immer rollende Reibung der Wälzkörper erfolgt,
damit nur geringe Betätigungskräfte vorliegen.
Dies ermöglicht
eine größere Vorspannung
des Gesamtsystems und somit eine höhere Klemmkraft, was gleichzeitig
bedeutet, daß die Haltekraft
des Systems vergrößert wird.
Weiterhin soll durch dieses rollende System das bisher zur Betätigungskraftreduzierung
eingesetzte Axiallager eingespart werden. Die erfindungsgemäße Einheit
soll variable Schnittstellen zur Anbindung an der Lenksäule und
zur Hebeladaption aufweisen, damit ihre Mehrfachverwendung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß an
dem Zugbolzen eine mit Klemmrampen versehene, zu der ersten Rampenscheibe gegenläufig angeordnete
weitere Rampenscheibe koaxial angeordnet ist, an deren Klemmrampen
die Wälzkörper ebenfalls
abgestützt
sind, wobei für
jeden Wälzkörper die
diesem entsprechenden Klemmrampen der beiden Rampenscheiben denselben
geometrischen Verlauf aufweisen.
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An
dem Zugbolzen kann ein Hebeladapter drehbar angeordnet sein, in
welchem der Handhebel eingefügt
und verrastet ist. Der Hebeladapter kann ein Kunststoffteil sein.
Er kann eine propellerartige Geometrie mit zum Zugbolzen achsparallelen
Zapfen aufweisen, mit welchen er formschlüssig in die benachbarte erste
Rampenscheibe eingreift und in einer Aufnahmegeometrie des Führungskäfigs eintaucht,
wobei die Zapfen in Richtung der weiteren Rampenscheibe verlängert sind.
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In
dem Führungskäfig kann
eine radiale Nut angeordnet sein, in welcher sich eine Rastkugel
und eine diese beaufschlagende Schraubendruckfeder befinden. Ein
im Bereich der Aufnahmegeometrie des Führungskäfigs befindlicher Zapfen des
Hebeladapters kann ein verrundetes Ende aufweisen, mit welchem er
an der von der Schraubendruckfeder abgewandten Seite der Rastkugel
anliegt. Der Führungskäfig kann
radiale Borde aufweisen, mit welchen er in entsprechende Ausnehmungen
der weiteren Rampenscheibe formschlüssig eingreift.
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Die
erfindungsgemäße Klemmvorrichtung
ist eine Einheit, welche interne Anschläge aufweist, die gleichzeitig
als Rastierung wirken. Damit ergibt sich eine Sicherung des Systems
gegen ungewolltes Öffnen
bzw. Schließen.
Infolge der internen Anordnung der Anschläge ist ein solches System bei
der Montage an einem Aggregat gegen Beschädigungen geschützt. Bei
der Ausführung
als geschlossenes System können
z. B. Staub und Verschmutzungen dessen Funktion nicht beeinträchtigen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
im Vergleich mit einer vorbekannten Klemmvorrichtung näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine explosionsartige
perspektivische Darstellung von Teilen einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung;
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2 eine perspektivische Darstellung
eines Zugbolzens und eines Hebeladapters mit einem montierten erfindungsgemäßen Führungskäfig mit Rampenscheiben,
zum Teil aufgeschnitten;
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3 die Rampenscheiben mit
einem dazwischen angeordneten Wälzkörper, jedoch
ohne Führungskäfig, in
einer ersten Stellung, im Schnitt;
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4 die Rampenscheiben gemäß 3 in einer zweiten Stellung,
im Schnitt;
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5 eine bekannte Klemmvorrichtung nach
dem Stand der Technik, im Schnitt.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnung
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Eine
in 5 dargestellte vorbekannte Klemmvorrichtung
umfasst ein topfartig gestaltetes, aus Stahlblech spanlos geformtes
Gehäuse 2,
das alle Klemmittel umschließt.
Das Gehäuse
ist über
einen Boden 3 an einem Tragarm 4 abgestützt, der
zusammen mit einem weiteren, parallel angeordneten Tragarm 5 als
Konsole zur Halterung einer Lenksäule 6 dient. Zur Lagefixierung
des Gehäuses
am Tragarm 4 ist zwischen diesen Bauteilen eine Drehsicherung 21 vorgesehen.
Die Klemmvorrichtung 1a ist auf einem Zugbolzen 7 angeordnet,
welcher, die Tragarme 4, 5 verbindend, gleichzeitig
durch eine quer verlaufende Öffnung
der Lenksäule 6 geführt ist.
An einem Ende stützt
sich der Zugbolzen 7 mittels eines Anschlags 8 am
Tragarm 5 ab. Das weitere, über die Klemmvorrichtung 1a vorstehende
Ende des Zugbolzens 7 ist mit einem Gewinde versehen, auf
dem eine Befestigungsmutter 9 angeordnet ist. An dieser
liegt eine Tellerfeder 10 an, welche sich andererseits
an einer Axialscheibe 11a abstützt, die das Gehäuse 2 stirnseitig
verschließt.
Alternativ kann die Tellerfeder 10 entfallen, wenn beispielsweise
die Federn der Eigenspannung der Tragarme 4, 5 in
Längsrichtung des
Zugbolzens 7 beim Lösen
der Klemmvorrichtung ausreicht, das Spreizmaß aufzuheben, um so eine Verstellung
der Lenksäule 6 zu
ermöglichen.
Zur Schaffung einer Stellwegbegrenzung für die Axialscheibe 11a ist
am Ende des Gehäuses 2 eine
nach innen weisende Arretierung 20 vorgesehen.
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Als
Klemmittel der Klemmvorrichtung 1a dient eine Klemmscheibe 12a,
die mit Klemmrampen 13a versehen ist und an der sich Wälzkörper 14a abstützen. Zwischen
der Klemmscheibe 12a und dem Boden 3 ist eine
Verdrehsicherung 28 vorgesehen. Die umfangsverteilt angeordneten,
in einer Haltescheibe 15a eingesetzten Wälzkörper 14a sind
einerseits an der Klemmscheibe 12a und andererseits an einer
Laufscheibe 16a abgestützt.
Weiterhin umfasst die Klemmvorrichtung 1a ein Axiallager 17a,
das zwischen der Laufscheibe 16a und der Axialscheibe 11a angeordnet
ist. Die drehbar auf dem Zugbolzen 7 angeordnete Haltescheibe 15a ist
zur Erreichung einer exakten Führung
bzw. Vermeidung einer gegenüber der
Längsachse
des Zugbolzens 7 auftretenden Winkelbewegung einteilig
mit einer Hülse 18 versehen, die
mit geringem Spiel auf den Zugbolzen 7 aufgesetzt ist und
sich vom Boden 3 bis zur Axialscheibe 11 erstreckt.
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Die
Klemmvorrichtung 1a dient dazu, die zwischen den Tragarmen 4 und 5 angeordnete
Lenksäule 6 sowohl
in der Neigung, als auch in der Länge stufenlos verstellen zu
können.
Die Verstellung wird möglich
durch ein Verdrehen der Haltescheibe 15a. Dazu dient ein
Handhebel 19, der durch eine radiale Öffnung im Gehäuse 2 geführt und
einteilig mit der Haltescheibe 15a verbunden ist. Zur Begrenzung
des Schwenkbereichs des Handhebels 19 ist eine Gehäusewandung 24 vorgesehen.
In 5 ist die Lenksäule 6 in
der Klemmstellung abgebildet. Zum Lösen der Lenksäule 6 ist
eine Verdrehung der Haltescheibe 15a erforderlich, die
eine axiale Verlagerung der Wälzkörpern 14a in
Pfeilrichtung an der Klemmrampe 13a hervorruft. Synchron
zur Verschiebung der Wälzkörper 14a verlagern
sich die kraftschlüssig
an den Wälzkörpern 14a anliegenden
Bauteile wie Laufscheibe 16a, Axiallager 17a und
Axialscheibe 11a, unterstützt durch die Federkraft der
Tellerfeder 10. Aufgrund des sich verändernden, d. h. reduzierenden Spreizmaßes verringert
sich die von der Tellerfeder 10 ausgeübte Vorspannung auf die Klemmittel
der Klemmvorrichtung 1a, wodurch sich die unter Vorspannung
eingesetzten Tragarme 4, 5 voneinander axial entfernen
und sich dadurch eine Lösestellung der
Lenksäule 6 einstellt.
Zur Klemmung der Lenksäule 6 ist
es erforderlich, mittels eines Handhebels 19 die Haltescheibe 15 im
entgegengesetzten Drehsinn zu verdrehen, so daß ein maximales Spreizmaß der Klemmittel
erreicht wird.
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Demgegenüber weist
eine erfindungsgemäße Klemmvorrichtung,
wie die 1 bis 4 zeigen, einen Zugbolzen 30 auf,
an welchem zusätzlich
zu einem Führungskäfig 31 für Wälzkörper 32 und
einer ersten Rampenscheibe 33 eine weitere Rampenscheibe 34 so
angeordnet ist, daß sich
der Führungskäfig 31 zwischen
den beiden Rampenscheiben befindet und die Wälzkörper 32 sich sowohl
an Klemmrampen 35 der ersten Rampenscheibe 33 als
auch an Klemmrampen 36 der weiteren Rampenscheibe 34 abstützen. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind
drei als Rollen als ausgebildete Wälzkörper 32 verwendet,
welche in dem Führungskäfig 31 in
Umfangsrichtung hintereinander, jeweils um 120° zueinander versetzt, angeordnet
sind. Statt der Rollen können
als Wälzkörper auch
Kugeln ver wendet werden.
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Damit
beim Verdrehen der Rampenscheiben 33 und 34 zueinander,
also bei Spreizung bzw. Klemmung des Systems, die Wälzkörper 32 an
den Klemmrampen 35 und 36 abrollen und nicht daran entlanggleiten,
müssen
die Klemmrampen 35 und 36 in ihrer Geometrie identisch
und im eingebauten Zustand gegenläufig angeordnet sein, wie es
die 3 und 4 zeigen. Beim Verdrehen
der Rampenscheiben 33 und 34 gegeneinander kippen
die Wälzkörper 32 über Eckkanten
um, welche als Rampenanstiegspunkte 37 und 38 dargestellt
sind, und jeder Wälzkörper 32 mit
dem Durchmesser d dreht sich, wodurch eine rollende Reibung gegeben
und somit eine geringere Betätigungskraft
F erforderlich ist, als für
eine gleitende Reibung der Wälzkörper 32.
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Bei
zunehmender Vorspannung auf die Rampenscheiben 33 und 34 soll
die Betätigungskraft nicht
ansteigen. Daher wird die Rampengeometrie wie folgt gewählt: Vom
Rampengrund steigt die Klemmrampe 35 bzw. 36 jeweils
steil an, da in dieser Stellung das System noch wenig Kraftbeaufschlagung
hat, d. h. der steile Rampenanstieg hat noch keinen starken Einfluss
auf die Betätigungskraft. Nachdem
jeder Wälzkörper den
steilen Anstieg überwunden
hat, wirkt aufgrund des ausgeführten
Hubes eine höhere
Vorspannung im System. Damit bei der weiteren Verstellung, die über einen
Handhebel 39 eingeleitet wird, und bei der dadurch erfolgenden Verdrehung
des Führungskäfigs 31 die
Betätigungskräfte gering
bleiben, geht die Rampenkontur nun in einen flachen Rampenabschnitt über, welcher
bis zum Rampenende hin mit einem Wert von 0° des in 4 dargestellten, die Neigung der jeweiligen Klemmrampe 35 bzw. 36 gegenüber der
Waagerechten kennzeichnenden Winkels α läuft. Die Bedingungen der Kraftverhältnisse
an den Klemmrampen 35 und 36 sind den 3 und 4 entnehmbar. Die Betätigungskraft F erzeugt an dem
Rampenanstiegspunkt 37 bzw. 38 eine Klemmkraft
F1. Der Rampenanstiegspunkt 37 bzw. 38 ist
jeweils um den Hebelarm f1 für Rollreibung
gegenüber
der senkrechten Mittellinie des Wälzkörpers 32 versetzt,
der hier an einem konkaven Abschnitt der Klemmrampe 35 bzw. 36 anliegt.
In 3 gilt für die Betätigungskraft
und die Klemmkraft bei rollender Reibung: F =
Froll Froll·d = F1·2f1
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In
4 hat der Wälzkörper
32 an
der Rampenscheibe
33 bzw.
34 jeweils den Rampenanstiegspunkt
37 bzw.
38 der
Klemmrampe
35 bzw.
36 erreicht. Hier gilt für die von
dem Winkel αα abhängige Kraftkomponente
F' der Betätigungskraft
F:
F' =
F1(μf + sinα) und
wobei μ
f die
Rollwiderstandszahl ist. Durch die zunehmende Verspannung des Systems
tritt eine Kraft F
N auf, deren Wirkungslinie
zur jeweiligen Klemmrampe
35 bzw.
38 normal verläuft. Sie
verursacht den Rollwiderstand F
W, welcher
sich aus der Kraft F
N durch Multiplikation
mit dem Reibungskoeffizienten ergibt. Durch die Realisierung der
rollenden Verstellung kann das bisher benötigte Axiallager entfallen und
somit können
Kosten eingespart werden.
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Die
erfindungsgemäße Klemmvorrichtung weist
einen Hebeladapter 40 auf, der an dem Zugbolzen 30 angeordnet
ist und aus einem Kunststoff bestehen kann. In dem Hebeladapter 40 kann
jeder beliebige Handhebel, beispielsweise der in 1 dargestellte Handhebel 39,
eingefügt
und dort verrastet werden. Der Hebeladapter 40 greift mit
einer propellerartigen Geometrie mit radialen Zapfen 41 formschlüssig in
die erste Rampenscheibe 33 ein. Die Zapfen 41 tauchen
in eine Aufnahmegeometrie 42 des Führungskäfigs 31 ein und sind
in Richtung der weiteren Rampenscheibe 34 verlängert. Der
Führungskäfig 31 ist
mit der ersten Rampenscheibe 33 formschlüssig verbunden,
um Anschlagskräfte
aufnehmen zu können.
Die ebenfalls propellerartig ausgeführte Aufnahmegeome trie 42 des
Führungskäfigs 31 weist
Begrenzungswände
auf, welche als Endanschläge 43 und 44 für die Zapfen 41 wirken.
Je nach der Betätigungsrichtung
des Handhebels 39 schlägt der
Zapfen 41 entweder an dem Endanschlag 43 oder
an dem Endanschlag 44 innerhalb der Aufnahmegeometrie 42 des
Führungskäfigs 31 an.
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Im
Führungskäfig 31 ist
eine Rastierungsfunktion integriert. Dazu ist eine von der Aufnahmegeometrie 42 ausgehende
radiale Nut 45 angeordnet, in welcher eine Schraubendruckfeder 46 und eine
Rastkugel 47 eingesetzt sind. Damit ist gemeinsam mit einem
verrundeten Ende 48 des Zapfens 41 des Hebeladapters 40 eine
Rastvorrichtung gebildet. Bei der Verstellung des Handhebels 39 und
der damit verbundenen Verdrehung der ersten Rampenscheibe 33 rastet
mindestens ein verrundetes Ende 48 eines Zapfens 41 an
der von der Schraubendruckfeder 46 vorgespannten Rastkugel 47 vorbei.
Das Rastiermoment kann in Abhängigkeit
von der Federvorspannung und der Anzahl der Rastierelemente gezielt
eingestellt werden. Das Wirkungsprinzip ist demjenigen einer Schaltungsarretierung ähnlich.
Durch die Anordnung im Führungskäfig 31 ist
eine geschlossene Einheit gebildet. Diese ist bei der Montage vor
Beschädigungen
geschützt
und benötigt
von der Außengeometrie
her keinen zusätzlichen
Einbauraum. Der Führungskäfig 31 ist
mit radialen Borden 49 versehen, welche in entsprechende
Ausnehmungen der weiteren Rampenscheibe 34 passend eingreifen.
Dadurch ist ein geschlossenes System mit geschachteltem Aufbau geschaffen.
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Die
weitere Rampenscheibe 34 weist Nocken 50 auf,
welche als formschlüssige
Verdrehsicherung der Lamellenscheibe der Klemmvorrichtung gegenüber der
Lenksäulenhalterung
dienen. Die Nocken 50 befinden sich in einer Führung, welche
tangential zum Drehpunkt des verstellbaren Teiles der Lenksäule angeordnet
sind. Somit kann im Falle der Lenksäulenverstellung die Lamellenscheibe
entlang der Führung
bewegt werden und bleibt dennoch um die Drehachse des Handhebels 39 fixiert.
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- 1a
- Klemmvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Boden
- 4
- Tragarm
- 5
- Tragarm
- 6
- Lenksäule
- 7
- Zugbolzen
- 8
- Anschlag
- 9
- Befestigungsmutter
- 10
- Tellerfeder
- 11a
- Axialscheibe
- 12a
- Klemmscheibe
- 13a
- Klemmrampe
- 14a
- Wälzkörper
- 15a
- Halteschiene
- 16a
- Laufschiene
- 17a
- Axiallager
- 18
- Hülse
- 19
- Handhebel
- 20
- Arretierung
- 21
- Drehsicherung
- 24
- Gehäusewandung
- 28
- Verdrehsicherung
- 30
- Zugbolzen
- 31
- Führungskäfig
- 32
- Wälzkörper
- 33
- erste
Rampenscheibe
- 34
- weitere
Rampenscheibe
- 35
- Klemmrampe
- 36
- Klemmrampe
- 37
- Rampenanstiegspunkt
- 38
- Rampenanstiegspunkt
- 39
- Handhebel
- 40
- Hebeladapter
- 41
- Zapfen
- 42
- Aufnahmegeometrie
- 43
- Endanschlag
- 44
- Endanschlag
- 45
- Nut
- 46
- Schraubendruckfeder
- 47
- Rastkugel
- 48
- verrundetes
Ende
- 49
- radialer
Bord
- 50
- Nocken
- α
- Winkel
- d
- Durchmesser
- f1
- Hebelarm
- F
- Betätigungskraft
- F1
- Klemmkraft
- F'
- Kraftkomponente
- FN
- Kraft
- FW
- Rollwiderstand