DE19801166C2 - Kraftfahrzeug-Lenkwelle mit zwei Wellenabschnitten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Lenkwelle mit zwei te­ leskopartig ineinander geführten Wellenabschnitten mit korre­ spondierenden Profilquerschnitten, zwischen denen wenigstens ei­ ne jeweils in axialer Richtung angeordnete Wälzelementreihe un­ ter Schaffung eines Drehschlusses zwischen den Profilquerschnit­ ten eingepaßt ist.

Aus der DE 35 13 340 C2 ist eine Mitnehmerverbindung wischen einer Nabe und einem darin geführten Wellenabschnitt bekannt, von denen beide mehrere jeweils paarweise korrespondierende Längsnuten aufweisen, in deren Kugelsätze angeordnet sind. Dabei besteht ein Kugelsatz aus einer Reihe in axialer Richtung ange­ ordneter Kugeln, die zwischen die Nabe und den Wellenabschnitt eingepreßt sind, wobei zwei korrespondierende Längsnuten einen in axialer Richtung offenen Lagersitz für den betreffenden Ku­ gelsatz bilden. Der Einpreßvorgang erfolgt unter plastischer Verformung mindestens eines der Bauteile und stellt eine Verbin­ dung her, die einerseits eine Drehmomentübertragung und anderer­ seits eine axiale Verstellbarkeit gewährleisten. Ein Herausfal­ len der Kugeln soll vermieden werden.

Aus der EP 0 629 540 B1 ist eine Verbindung zwischen zwei Wel­ lenabschnitten einer Kraftfahrzeuglenksäule bekannt, bei der ei­ ne Fixierung der Wellenabschnitte gegeneinander mit Hilfe mehre­ rer formschlüssig vergossener Harzpackungen und einem in Dreh­ richtung formschlüssig geführten Vierkantabschnitt vorgesehen ist. Eine bei der Fertigung unter plastischer Verformung ein es Wellenabschnittes eingepaßte Kugel ist zur Sicherstellung des elektrischen Kontakts zwischen den Wellenabschnitten angeordnet und erfüllt im Crash-Fall bei einer axialen Verschiebung der Wellenabschnitte gegeneinander auch Energieabsorptionsaufgaben durch weitere plastische Verformung eines Wellenabschnittes.

Die DE 39 41 049 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeug-Lenkwelle, bei der Wälzelementreihen zum Zwecke der Energieabsorption ein­ gesetzt werde. Hierzu ist neben der Lenkwelle auch das Mantel­ rohr teleskopartig ausgebildet, wobei dort zwischen dem inneren und äußeren Mantelrohrteil sogenannte Roll- oder Walzverformer angeordnet sind. Bei einem Aufprall des Fahrers auf das Lenkrad verschieben sich inneres und äußeres Mantelrohrteil gegeneinan­ der, wobei die Wälzelemente in das Material Spuren einwalzen und damit Aufprallenergie absorbieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftfahrzeug-Lenkwelle der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der neben einer Drehmomentübertragung zwischen den Wellenabschnitten mit besonders einfachen Mitteln eine hohe Insassensicherheit bei einem Fahrzeugaufprall erzielt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß den endseitigen Wälzelementen der Wälzelementreihe jeweils ein Axialanschlag zugeordnet ist, die an gegenüberliegenden Wellenabschnitten positioniert sind, wobei wenigstens ein Axialanschlag plastisch deformierbar ist. Dadurch ergibt sich eine formschlüssige Fixierung der Wälzelementreihe in axialer Richtung und in Umfangsrichtung, wobei durch eine Verformung des wenigstens einen plastisch deformierbaren Anschlages im Fall einer crash­ bedingten Axialverschiebung Bewegungsenergie vernichtet wird. Durch die Anordnung einer geeigneten Anzahl von Wälzelementreihen kann die Verbindung an mögliche Belastungsfälle angepaßt werden. Ferner kann durch die spezielle Ausgestaltung eines einzelnen Anschlages, insbesondere durch die Dimensionierung der - auf eine Drehachse der Lenkwelle bezogen - radialen Erstreckung, das Energieabsorptionsvermögen beeinflußt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Axialanschlag als Übergang von einem kreisrunden in einen unrunden Profilquerschnitt des betreffenden Wellenabschnitts ausgeführt. Ein derartiger Anschlag ist auf besonders einfache Weise herstellbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens ein Axialanschlag mehrere in axialer Richtung aufeinanderfolgende Stufen mit unterschiedlicher Erstreckung in radialer Richtung auf. Dadurch kann eine abgestufte Verformung sowohl des den Anschlag aufweisenden als auch des gegenüberliegenden Wellenabschnittes erreicht werden, denn beim Überrollen des Anschlages durch die zugehörigen Kugeln wird eine von der Höhe der radialen Ausdehnung des Anschlages abhängige Verformungsarbeit geleistet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen zwei Kugeln einer Wälzelementreihe ein in Axialrichtung der Wellenabschnitte ausgerichteter, als separates Bauelement ausgeführter Abtands­ halter angeordnet. Der Abstandshalter muß nicht für eine Drehmo­ mentübertragung zwischen den Wellenabschnitten vorgesehen wer­ den, wenn die verbleibenden Kugeln für die Momentenübertragung ausreichen. Er dient insbesondere zur Gewichtsreduzierung unter Gewährleistung einer ausreichenden axialen Führung der Wellenab­ schnitte gegeneinander durch die verbleibenden Kugeln, die einen ausreichenden axialen Abstand zueinander aufweisen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstandshalter als Zylinder mit einem Durchmesser ausgeführt, der höchstens dem Durchmesser der Kugeln entspricht. Ein derartiger zylindrischer Abstandshalter kann auch zur Drehmomentübertragung herangezogen werden. Der Zylinder kann mehrere Kugeln vollwertig ersetzen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung sind bevorzugte Ausführungs­ beispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeug- Lenkwelle,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen ersten Wellenabschnitt ent­ lang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch beide Wellenabschnitte der Kraft­ fahrzeug-Lenkwelle entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 in einer Detaildarstellung einen Längsschnitt durch die Kraftfahrzeug-Lenkwelle gemäß Fig. 1 im Bereich der Ku­ gelreihen,

Fig. 5 einen zur Fig. 4 analogen Längsschnitt durch ein erstes modifiziertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Lenkwelle,

Fig. 6 einen zur Fig. 4 analogen Längsschnitt durch ein zweites modifiziertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Lenkwelle,

Fig. 7 einen zur Fig. 4 analogen Längsschnitt durch ein drittes modifiziertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Lenkwelle,

Fig. 8 einen zur Fig. 4 analogen Längsschnitt durch ein viertes modifiziertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Lenkwelle,

Eine in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug weist einen ersten Wellenabschnitt 1 auf, der im wesentlichen rohrförmig ausgestaltet ist und unterschiedlich profilierte Bereiche 1a bis 1e aufweist. Über eine nachfolgend beschriebene Mitnehmeranordnung 1c, 2c, 4 ist ein zweiter Wel­ lenabschnitt 2 teleskopartig und drehschlüssig in dem ersten Wellenabschnitt 1 geführt. Mittels eines mit dem zweiten Wellen­ abschnitt 2 fest verbundenen Lenkrades 6 läßt sich ein mit dem ersten Wellenabschnitt 1 in Wirkverbindung stehendes, nicht dar­ gestelltes Lenkgetriebe betätigen. Dazu ist der erste Wellen­ abschnitt 1 über mehrere Kugellager 3 um seine Achse rotierbar gelagert.

Der erste Wellenabschnitt weist einen ersten Bereich 1a mit im wesentlichen kreisringförmigem Profilquerschnitt auf, der in Fig. 2 dargestellt ist. An einen Übergang 1b anschießend ist ein zweiter Bereich 1c des ersten Wellenabschnitts 1 vorgesehen, der, wie in Fig. 3 dargestellt, einen unrunden Profilquerschnitt aufweist und über einen weiteren Übergang 1d in einen dritten Bereich 1e mit ringförmigem Profilquerschnitt übergeht.

Der zweite Wellenabschnitt 2 weist wie der erste Wellenabschnitt 1 zwei Bereiche 2a und 2e mit kreisringförmigem Profilquer­ schnitt auf, zwischen denen ein sich über Übergänge 2b und 3d anschließender Bereich 2c mit quadratischem Profilquerschnitt angeordnet ist, wie aus den Fig. 3 und 4 entnehmbar. Im Über­ deckungsbereich der beiden Wellenabschnitte ist das größte Au­ ßenabmaß des zweiten Wellenabschnittes 2 kleiner als der lichte Innendurchmesser des ersten Wellenabschnitts. Wie ferner aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, sind insbesondere die Außendurchmes­ ser der Bereiche 2a und 2e geringfügig kleiner ausgeführt als die Innendurchmesser der korrespondierenden Bereiche 1e und 1e. Außerdem weisen die Bereiche 1c und 2c näherungsweise die glei­ che - auf eine Drehachse der Lenkwelle bezogen - axiale Ausdeh­ nung auf, so daß sich zwischen ihnen infolge einer unterschied­ lichen radialen Ausdehnung und einer entsprechenden, gegeneinan­ der ausgerichteten Anordnung der beiden Wellenabschnitte käfig­ artige, in axialer Richtung längliche Volumina ergeben, in die mehrere Wälzelementreihen in Form von Kugelreihen 4 spielfrei einsetzbar sind.

Die Übergänge 2b und 2d, die den Kugelreihen 4 seitens des zwei­ ten Wellenabschnitts 2 zugeordnet sind, begrenzen die käfig­ artigen Volumina in axialer Richtung und bilden somit Axialan­ schläge für die Kugelreihen 4. In entsprechender Weise bilden die Übergänge 1b und 1d seitens des ersten Wellenabschnitts 1 ebenfalls entsprechende Axialanschläge, so daß, wenn die Kugel­ reihen 4 in die zugehörigen Volumina eingesetzt sind, eine Re­ lativbewegung zwischen den Wellenabschnitten blockiert ist.

Die Kugelreihen 4 dienen somit als in Drehrichtung der Lenkwelle wirkende Mitnehmerelemente und fixieren darüber hinaus die in­ einander geführten Wellenabschnitte auch in Axialrichtung. Auf­ grund der allseitig weitgehend geschlossenen Ausgestaltung der Volumina für die Kugelreihen 4, die ein formschlüssiges Einset­ zen ermöglicht, erfordert eine sichere Lagerung lediglich ein spielfreies Einsetzen und kein Einpressen der Kugeln 4.

Im erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Bereich 2c als massi­ ves Vierkantstück ausgeführt, dessen Diagonalen kürzer sind als die Kantenlängen des inneren Querschnitts des Bereiches 1c des ersten Wellenabschnitts 1. Ferner entspricht die Länge der ge­ nannten Diagonalen dem jeweiligen Außendurchmesser der Bereiche 2a und 2e. Ebenso entspricht die genannte Kantenlänge des Berei­ ches 1c dem jeweiligen Innendurchmesser der Bereiche 1a und 1e. Auf diese Weise ergeben sich unmittelbar aus den Übergängen zwi­ schen den unrunden und den runden Profilquerschnitten in Axial­ richtung wirkende Anschläge 1b, 1d, 2b, 2d, deren Berührungsflä­ chen mit den jeweils benachbarten endseitigen Kugeln der Kugel­ reihen entsprechend abgerundet ausgeführt sein können.

Es versteht sich, daß eine derartige Mitnehmeranordnung mit na­ hezu jedem beliebigen unrunden Profilquerschnitt ausgeführt wer­ den kann, wobei die Zahl der erforderlichen Kugelreihen entspre­ chend variabel ist. Es besteht ferner die Möglichkeit, einen oder zwei sich diagonal gegenüberliegende Anschläge, beispiels­ weise die Anschläge in den Bereichen 2b und 1d entfallen zu las­ sen, wobei in diesem Fall eine nur noch einseitige axiale Fixie­ rung der Wellenabschnitte gewährleistet und gegebenenfalls ein Einpressen einer oder mehrerer Kugeln erforderlich wäre.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Axialanschläge 1b und 2d zielt plastisch deformierbar auszugestalten, so daß bei einer gewaltsamen Axialverschiebung des zweiten Wellenabschnitts 2 ge­ genüber dem ersten Wellenabschnitt 1 diese von den Kugelreihen 4 überrollt werden können, wobei die genannten Anschläge verformt werden. Der dabei erforderliche Energieaufwand soll größer di­ mensioniert sein als eine normale Betriebsbelastung der Lenk­ welle, vielmehr soll er einer im Crashfall des Fahrzeuges auf die Lenkwelle einwirkenden Aufprallenergie des Fahrzeuginsassen entsprechen. Als Parameter zur Einstellung der erforderlichen Umformenergie läßt sich unter anderem die Zahl der verwendeten Kugelreihen 4 variieren.

Wie anhand eines modifizierten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 dargestellt, bei dem im übrigen für gleichartige Bauteile die­ selben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden, kann jedoch auch durch die Ausgestaltung der plastisch deformierbaren Axialanschläge das Verhalten der Mitnehmerverbin­ dung im Fall einer Krafteinwirkung auf die Lenkwelle bestimmt werden. Dabei ist vorgesehen, in dem Bereich 2c des zweiten Wel­ lenabschnitts 2 jeder Kugelreihe 4 eine Kuppe 2f zuzuordnen, die eis plastisch deformierbarer Axialanschlag dient. In geringem axialem Abstand daran anschließend ist der ebenfalls als An­ schlag dienende Übergang 2d vorgesehen, dem in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel eine Stufe 2g vorangestellt ist. Dadurch ergibt sich bei einer Relativbewegung der Wellenabschnitte gegeneinan­ der zunächst ein Widerstand seitens der Verbindungsanordnung, der größer ist als die normale Betriebsbelastung und nur durch eine aufprallbedingte Belastung überwunden werden kann. In die­ sem Fall rollen die Kugeln auf den Wellenabschnitten ab und de­ formieren die Kuppe 2f, wobei nach deren Deformation bei weite­ rer Verschiebung der Wellenabschnitte gegeneinander der Wider­ stand seitens der Verbindungsanordnung absinkt. Es ist vorgese­ hen, diese Widerstandsreduzierung in Korrelation mit einer auf­ tretenden Verformung anderer Bauteile, beispielsweise der Lenk­ säulenverkleidung zu bringen, so daß sich der summierte Wider­ stand der gesamten Lenksäulenanordnung in dieser Phase der Ver­ schiebung nicht stark ändert. Schließlich stoßen die Kugeln 4 bei weiterer Verschiebung der Wellenabschnitte gegen die Stufe 2g, wodurch sich bei deren Deformation eine Widerstandserhöhung ergibt, die auf eine Aufprallbelastung durch einen durchschnitt­ lich schweren Insassen ("50%-Dummy") abgestimmt sein soll. Er­ reichen die Kugeln 4 schließlich den axialen Anschlag 2d, so kann der Widerstand, den die Verbindung einer weiteren Relativ­ bewegung entgegenbringt, auf eine Aufprallbelastung durch einen sehr schweren Insassen ("95%-Dummy") ausgelegt sein und damit ihr Maximum erreichen.

Ferner weist das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eine gegenüber dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzliche Modifikation in Form mehrerer, zwischen die Wellenabschnitte 1 und 2 eingesetzter Zylinder auf. Die Zylinder besitzen einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Ku­ geln 4 und sind, mit ihren Zylinderachsen parallel zur Drehachse der Lenkwelle ausgerichtet, zwischen der ersten und der letzten Kugel einer jeden Kugelreihe angeordnet. Derartige Zylinder sind einfach herstellbar und erfüllen im wesentlichen die gleiche Drehmomentübertragungsfunktion wie die Kugeln, die sie ersetzen. Dies ergibt sich daraus, daß eine Verformung der plastisch de­ formierbaren Anschläge durch die zwischen den beiden Wellenab­ schnitten abrollenden ersten und letzten Kugeln jeder Kugelreihe erfolgt. Die Zylinder 5 können im Fall einer gewaltsamen Rela­ tivbewegung zwischen den Wellenabschnitten 1 und 2 zwischen den Wellenabschnitten gleiten.

Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt gegenüber den obigen Ausführungsbeispielen Modifikationen in Form mehre­ rer, zwischen die Wellenabschnitte 1 und 2 eingesetzter quader­ förmiger Abstandshalter 11 und einer gestuften Ausführung des äußeren, ersten Wellenabschnittes 1. Die Abstandshalter 11 las­ sen sich zwischen zwei beliebige Kugeln 4 einer Kugelreihe ein­ setzen, wodurch eine oder mehrere Kugeln entfallen können. Wenn die Verbleibenden Kugeln für eine Übertragung des Betriebsmomen­ tes zwischen den Wellenabschnitten ausreichen, brauchen die Ab­ standshalter nicht für eine Momentenübertragung vorgesehen zu werden. Sie können daher aus einem leichten Material hergestellt werden und ermöglichen eine Gewichtsreduzierung der Mitnehmer­ verbindung. Die gestufte Ausgestaltung des ersten Wellenab­ schnittes 1 weist, jeweils einer Kugelreihe zugeordnet, eine Kuppe 1f und eine Stufe 1g auf, die zwischen dem Übergang 1b und dem Bereich 1c mit dem unrunden Profilquerschnitt angeordnet sind. Sie stellt das Pendant zu dem in Fig. 5 dargestellten ge­ stuften Bereich 2f, 2g des zweiten Wellenabschnittes 2 dar und kann die diesbezüglich erläuterte Funktion erfüllen.

In Fig. 7 ist ein weiteres modifiziertes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem wiederum für gleichartige Bauteile dieselben Bezugszeichen wie in den übrigen Ausführungsbeispielen ver­ wendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die als sepa­ rate Bauelemente ausgeführten Abstandshalter 5, 11 durch ein­ stückig mit den Wellenabschnitten 1 und 2 hergestellte Abstands­ halteabschnitte 7 und 8 ersetzt. Da diese Abstandshalteabschnit­ te nicht mit den Kugeln axial verschiebbar sind, sind sie vor­ zugsweise deformierbar ausgeführt, so daß sie von den Kugeln überrollt werden können. Sie dienen auch nicht zur Momentenüber­ tragung zwischen den Wellenabschnitten 1, 2 und gleichen somit im wesentlichen den Bereichen 1a und 1e sowie 2a und 2e, weshalb sie ebenfalls mit einem runden Profilquerschnitt gestaltbar sind.

In Fig. 8 ist ein weiteres modifiziertes Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Kombination mehrerer Merkmale der vorheri­ gen Ausführungsbeispiele beinhaltet. So weisen sowohl der erste als auch der zweite Wellenabschnitt jeweils einer gestuften Be­ reich 1f, 1g bzw. 2f, 2g auf, die in ihren Abmessungen korre­ spondieren und die zum zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 beschriebene Funktion haben. Darüber hinaus sind als weitere Al­ ternative deformierbare Abstandshalteabschnitte 9 und 10 vorge­ sehen, die in gleicher Weise abgestuft ausgeführt sind wie die Wellenabschnitte 1 und 2, wodurch die beschriebene Funktion wer ter verstärkt wird.

Claims (6)

1. Kraftfahrzeug-Lenkwelle mit zwei teleskopartig ineinander geführten Wellenabschnitten mit korrespondierenden Profilquer­ schnitten, zwischen deren wenigstens eine jeweils in axialer Richtung angeordnete Wälzelementreihe unter Schaffung eines Drehschlusses zwischen den Profilquerschnitten eingepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß den endseitigen Wälzelementen der Wälzelementreihe (4) je­ weils wenigstens ein Axialanschlag (1b, 2d und/oder 1d, 2b) zu­ geordnet ist, die an gegenüberliegenden Wellenabschnitten posi­ tioniert sind, wobei wenigstens ein Axialanschlag (1b, 1d, 2b, 2d) plastisch deformierbar ist.

2. Kraftfahrzeug-Lenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Axialanschlag (1b, 1d, 2b, 2d) als Übergang von einem kreisrunden in einen unrunden Profilquerschnitt des betreffenden Wellenabschnitts (1, 2) ausgeführt ist.

3. Kraftfahrzeug-Lenkwelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Axialanschlag (2d) mehrere in axialer Rich­ tung aufeinanderfolgende Stufen (2f, 2g, 2d) mit unterschiedli­ cher Erstreckung in radialer Richtung aufweist.

4. Kraftfahrzeug-Lenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Kugeln einer Wälzelementreihe (4) ein in Axialrichtung der Wellenabschnitte (1, 2) ausgerichteter, als separates Bauelement ausgeführter Abstandshalter (5, 11) ange­ ordnet ist.

5. Kraftfahrzeug-Lenkwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter als Zylinder (5) mit einem Durchmesser ausgeführt ist, der höchstens dem Durchmesser der Kugeln ent­ spricht.

6. Kraftfahrzeug-Lenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Kugeln einer Wälzelementreihe (4) wenigstens ein in Axialrichtung der Wellenabschnitte (1, 2) ausgerichteter deformierbarer Abstandshalter (7 bis 10) angeordnet ist, der je­ weils einstückig mit einem Wellenabschnitt ausgeführt ist.