DE10359962A1

DE10359962A1 - Lagervorrichtung für Kraftfahrzeuglenkwellen

Info

Publication number: DE10359962A1
Application number: DE10359962A
Authority: DE
Inventors: Herbert Appelt; Rudolf Drapa
Original assignee: Nacam Deutschland GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering Bremen GmbH
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE10359962B4

Abstract

Es wird eine Lagervorrichtung insbesondere für Kraftfahrzeuglenkwellen zur Drehmomentübertragung zwischen einer Innenwelle und eine diese umgebenden Hohlwelle bei gleichzeitiger Verschieblichkeit in Axiallängsrichtung der Innenwelle realtiv zur Hohlwelle mit einer Mehrzahl von in mindestens zwei Lagernuten aufgenommenen metallischen Wälzkörpern, wobei die Lagernuten zum Teil in der Außenkontur der Innenwelle und der Innenkontur der Hohlwelle ausgespart sind, vorgestellt, bei der eine Teilmenge der Wälzkörper (6) aus hartelastischem Material besteht, wobei die Außenabmaße dieser Wälzkörper (6) geringfügig größer bemessen sind als die Außenabmaße der metallischen Wälzkörper (5). DOLLAR A Durch diese Gestaltung ist es möglich, bei einer Lagervorrichtung der gattungsgemäßen Art zum einen die Teilevielfalt bei der Montage der Lagervorrichtungen herabzusetzen und darüber hinaus eine Dämpfungsfunktion durch die Lagervorrichtung zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung insbesondere für Kraftfahrzeuglenkwellen zur Drehmomentübertragung zwischen einer Innenwelle und einer diese umgebenden Hohlwelle bei gleichzeitiger Verschieblichkeit in Axiallängsrichtung der Innenwelle relativ zur Hohlwelle mit den im gattungsbildenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmalen.
Die geschilderten Lagervorrichtungen sind im Stand der Technik beispielsweise als Kugelschiebeführungen bekannt, wobei in derartigen Lagervorrichtungen in der Regel Stahlkugeln oder Zylinderrollen oder -nadeln als Wälzkörper eingesetzt werden. Sie dienen in Kraftfahrzeugen mit verstellbarem Lenksäulenmechanismus zur Änderung der Lenksäulenlänge, damit die Position des Lenkrades an die jeweilige Sitzposition des Fahrers angepasst werden kann. Die Lagervorrichtungen haben dabei die Aufgabe, einerseits zu einer leichtgängigen Axialverstellung der Innenwelle relativ zu dieser umgebenden Hohlwelle beizutragen, andererseits soll eine möglichst spielfreie und symmetrische Übertragung des Lenkdrehmomentes zwischen den gekoppelten Bauteilen gewährleistet sein. Diese Spielfreiheit wird in der Praxis oft dadurch erreicht, dass die Lagerelemente, wie Stahlkugeln oder Stahlnadeln direkt oder indirekt durch zusätzliche Vorspannelemente, wie Blatt- oder Tellerfedern spielfrei gehalten werden.
Darüber hinaus werden alternativ entsprechend der Abmaßtoleranzen der in Innenwelle und Hohlwelle vorhandenen Lagernuten Wälzkörper mit daran angepasster Größenordnung zur Herstellung der Spielfreiheit bereitgestellt, was verschiedene Toleranzklassen an Wälzkörpern bedingt und die Lagerhaltung sowie Anpassarbeiten zur Erreichung der Spielfreiheit erhöht.
Darüber hinaus hat die genaue Anpassung der verwendeten Wälzkörper an die zugehörigen Lagernuten zur Folge, dass eine Dämpfung im Fahrbetrieb, das heißt die Eliminierung von Fahrzeugschwingungen, die gegebenenfalls von der Karosserie auf die Lenkung respektive das Lenkrad übertragen werden, nicht gegeben ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lagervorrichtung der gattungsgemäßen Art so weiter zu entwickeln, dass zum einen die Teilevielfalt bei der Montage der Lagervorrichtungen herabgesetzt wird und darüber hinaus eine Dämpfungsfunktion durch die Lagervorrichtung realisiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Teilmenge der verwendeten Wälzkörper innerhalb der Lagervorrichtung aus hartelastischem Material besteht, wobei die Außenabmaße dieser Wälzkörper geringfügig größer bemessen sind als die Außenabmaße der metallischen Wälzkörper.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung werden die zu übertragenden Drehmomentkräfte zunächst über die hartelastischen Wälzkörper übertragen. Diese verformen sich auf Grund ihrer Materialeigenschaften bei der Übertragung kleinerer Drehmomente leicht innerhalb der Lagernut, wobei auf Grund dieser Verformung eine Relativbewegung zwischen Innenwelle und Hohlwelle erfolgt, die jedoch von einer gleichzeitigen Drehmomentübertragung überlagert ist, so dass eine Spielfreiheit gegeben ist. Durch die leichte Verformung der hartelastischen Wälzkörper kommen die außerdem in den Lagernuten vorhandenen metallischen Wälzkörper mit der korrespondierenden Oberfläche der Lagernuten in Verbindung, wodurch dann bei größeren Drehmomenten die metallischen Wälzkörper die Kraftübertragung bewirken.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung können in den einzelnen Lagernuten metallische Wälzkörper und Wälzkörper aus hartelastischem Material abwechselnd aufgenommen sein. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Drehmomentübertragung unter allen Rahmenbedingungen gewährleistet.
Insbesondere für die Fälle, in denen über den Umfang der Innenwelle symmetrisch verteilt vier Lagernuten mit darin aufgenommenen Wälzkörpern angeordnet sind, ergibt es sich als vorteilhafte Variante, dass in jeweils zwei sich gegenüber liegenden Lagernuten nur metallische Wälzkörper und in den verbleibenden beiden Lagernuten Wälzkörper aus hartelastischem Material eingebracht werden. Dabei können die Wälzkörper in einem gemeinsamen Käfig aufgenommen sein, was die Handhabung insbesondere bei der Montage wesentlich erleichtert.
Darüber hinaus ist es als besondere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes möglich, alle Wälzkörper aus hartelastischem Material auszubilden, wobei dann am Außenumfang der Innenwelle mindestens ein sich in Axiallängsrichtung erstreckender Nockenvorsprung angeordnet ist, welcher in eine korrespondierende Aufnahmenut an der Innenkontur der Hohlwelle dergestalt aufgenommen ist, dass im Zusammenbauzustand von Hohlwelle und Innenwelle ein geringer Luftspalt zwischen der Oberfläche des Nockenvorsprunges und der Oberfläche der Aufnahmenut gegeben ist. Bei dieser Ausführungsform werden kleine Drehmomente ebenfalls zunächst durch die aus hartelastischem Material bestehenden Wälzkörper übertragen, die sich im Rahmen der Kraftweiterleitung soweit verformen, dass die Oberfläche des Nockenvorsprunges mit der korrespondieren Oberfläche der Aufnahmenut in Berührung kommt, so dass bei größeren Drehmomenten die Übertragung wiederum durch eine Kontaktierung metallischer Bauelemente gewährleistet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die aus hartelastischem Material bestehenden Wälzkörper je nach geforderter Dämpfungskennlinie der Lagervorrichtung unterschiedliche Shore-Härtegrade aufweisen. Die Auswahl des Wälzkörpermaterials kann somit die Verdrehkennung der Lenkwelle im Nulldurchgang mit einer gewünschten oder erforderlichen Dämpfungswirkung der Baugruppe verbinden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1 die perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung in der Anwendung für eine Kraftfahrzeuglenkwelle,
2 eine Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie B-B aus 1 im Bereich der Anordnung elastischer Kugeln,
3 eine Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie C-C aus 1 im Bereich der Anordnung von metallischen Wälzkörpern,
4 eine weitere Ausführungsform mit Wahl von vier Lagernuten an Außen- und Innenkontur von Innenwelle und Hohlwelle und
5 die Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung.
In der 1 ist im Rahmen einer Gesamtdarstellung die Lagervorrichtung 3 in der Anwendung für eine Kraftfahrzeuglenkwelle dargestellt, die aus einer Hohlwelle 1 und einer Innenwelle 2 aufgebaut ist, welche teleskopartig in Axiallängsrichtung gegeneinander verschoben werden können. Hohlwelle 1 und Innenwelle 2 bestehen aus Strangpressprofilen und weisen einen im weitesten Sinne rechteckförmigen Querschnitt auf. An zwei gegenüber liegenden Seiten des rechteckförmigen Querschnittes der Innenwelle befindet sich jeweils eine Lagernut 4a, 4b, in die eine Mehrzahl von Wälzkörpern 5, 6 aufgenommen ist. An der Innenkontur der Hohlwelle 1 ist korrespondierend zu den Lagernuten 4a und 4b jeweils eine Lagernut 7a, 7b vorhanden.
Die in den Lagernuten 4a, 4b, 7a, 7b aufgenommenen Wälzkörper 5, 6 bestehen, aus unterschiedlichem Material. Die Wälzkörper 5 sind handelsübliche Stahlkugeln, wie sie beispielsweise in Kugellagern eingesetzt werden, die Wälzkörper 6 bestehen aus einem hartelastischen Material und sind im Durchmesser geringfügig größer bemessen als die metallischen Wälzkörper 5, wobei sowohl die Wälzkörper 5 als auch die Wälzkörper 6 in einem gemeinsamen Käfig 8 aufgenommen sind, so dass durch Aufschieben des Käfigs 8 eine einfache Montage der Lagervorrichtung 3 erfolgen kann.
In der 2 ist der Aufbau der Lenkwelle mit Innenwelle 2, Hohlwelle 1 sowie der Lagervorrichtung 3 noch einmal deutlich zu erkennen. Die Wälzkörper 6 aus hartelastischem Material weisen einen Durchmesser d2 auf, der so bemessen ist, dass der durch die Lagernuten 4a, 7a bzw. 4b, 7b geschaffene Luftraum so ausgefüllt ist, dass nur im Bereich der Nutgründe ein Luftspalt verbleibt, die Wälzkörper 6 im übrigen Bereich jeweils an den Wandungen der Lagernuten anliegen.
Die 3 stellt gegenüber der 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C aus 1 im Bereich der metallischen Wälzkörper 5 dar. Gegenüber der 2 ist hier erkennbar, dass sich zwischen der Oberfläche der Wälzkörper 6 und der inneren Oberfläche der Lagernuten 7a und 7b ein Luftspalt 9 befindet. Somit herrscht keine direkte Anlage der Wälzkörper 5 und auch keine Möglichkeit einer Drehmomentübertragung durch die Wälzlager 5 von der Innenwelle 2 auf die Hohlwelle 1 oder umgekehrt. Die Wälzkörper 5 und 6 sind, wie dies der 1 zu entnehmen ist, abwechselnd innerhalb der Lagernuten 4a, 4b, 7a, 7b angeordnet. Das Aufgingen eines Drehmomentes auf die Innenwelle 2 führt auf Grund des größeren Durchmessers der Wälzlagerkörper 6 aus hartelastischem Material zunächst zu einer Drehmomentübertragung durch diese Wälzkörper 6, die sich auf Grund ihrer Materialeigenschaften leicht verformen, wobei eine leichte Verdrehung zwischen Innenwelle 2 und Hohlwelle 1 auftritt. Sofern das Drehmoment groß genug ist, gelangen auf Grund der Verformung der Wälzkörper 6 die metallischen Wälzkörper 5 an den Seitenwandungen der Lagernuten 7a und 7b zur Anlage, so dass größere Drehmomente direkt über die metallischen Wälzkörper 5 übertragen werden.
Auf Grund ihrer Materialeigenschaften sind die grundsätzlich an den Wandungen der Lagernuten anliegenden Wälzkörper 6 aus hartelastischem Material in der Lage, von der Karosserie auf die Lenkwelle übertragende Schwingungen aufzunehmen und zu filtern, so dass diese für den Fahrer des Kraftfahrzeuges weniger spürbar sind.
In der 4 ist im Querschnitt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung dargestellt. Im Gegensatz zum oben besprochenen Ausführungsbeispiel besitzt die Lagervorrichtung hierbei zwei Lagernuten 4a, 4b bzw. 7a, 7b in gleicher Form wie dies aus den 1 bis 3 ersichtlich ist. Darüber hinaus sind in der Hohlwelle 1 und der Innenwelle 2 jeweils zwei weitere Lagernuten 10a, 10b bzw. 11a, 11b eingebracht. In den genannten Lagernuten befinden sich jeweils eine Mehrzahl von Wälzkörpern aus hartelastischem Material. Diese weisen einen Durchmesser d2 auf, der so bemessen ist, dass die Wälzkörper 6 den durch die Lagernuten 10a, 11a bzw. 10b, 11b gebildeten Hohlraum vollständig ausfüllen. In den Lagernuten 4a, 7a bzw. 4b, 7b sind eine Mehrzahl von metallischen Wälzkörpern 5 eingebracht, deren Durchmesser d1 so bemessen ist, dass ohne Drehmomenteinwirkung auf die Lenkwelle sich ein Luftspalt 9 zwischen der Oberfläche der Wälzkörper 5 und der inneren Oberfläche der Lagernuten 7a bzw. 7b ergibt.
Durch die alleinige Verbindung der Hohlwelle 1 mit der Innenwelle 2 über die Wälzkörper 6 aus hartelastischem Material kann eine Schwingungsübertragung zwischen Innenwelle und Hohlwelle vermieden werden. Das Prinzip der spielfreien Drehmomentübertragung entspricht prinzipiell demjenigen, wie es bei der Darlegung des Ausführungsbeispieles der 1 bis 3 geschildert worden ist. Eine leichte Drehmomentsbeaufschlagung führt zunächst zu einer geringen Verformung der Wälzkörper 6 aus hartelastischem Material, wodurch die zusätzlich die Lagervorrichtung bildenden metallischen Wälzkörper 5 an den korrespondierenden Wandungen der Lagernuten 7a bzw. 7b zur Anlage kommen, wodurch die weitere Drehmomentübertragung durch direkte Kontaktierung der genannten Bauelemente erfolgt.
In der Darstellung der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die im Ausführungsbeispiel der 4 vorhandenen metallischen Wälzkörper 5 durch zwei Nockenvorsprünge 12a, 12b ersetzt sind, die aus der Außenkontur der Innenwelle hervorstehen und mit jeweils einer an der Innenkontur der Hohlwelle vorhandenen Aufnahmenut 13a, 13b zusammenwirken. Die Nockenvorsprünge 12a, 12b weisen einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt auf, wobei die Querschnittsfläche so bemessen ist, dass sich im Zusammenbauzustand von Hohlwelle 1 und Innenwelle 2 ein geringer Luftspalt 14 zwischen der Oberfläche der Nockenvorsprünge 12a, 12b und der Oberfläche der Aufnahmenuten 13a, 13b ergibt.
Im drehmomentunbelasteten Zustand bewirken somit die aus hartelastischem Material bestehenden Wälzkörper 6 eine Schwingungsdämpfung und übernehmen darüber hinaus bei einem leichten Drehmomentangriff auf Innenwelle 2 oder Hohlwelle 1 die entsprechende Drehmomentübertragung. Die durch die Drehmomentübertragung hervorgerufene Verformung führt beim Auftritt von größeren Drehmomenten zu einer Anlage der Oberfläche der Nockenvorsprünge 12a, 12b an der Innenseite der Aufnahmenuten 13a, 13b, so dass dann eine zuverlässige Drehmomentübertragung auch größerer Drehmomente gegeben ist.
Auf Grund ihrer elastischen Eigenschaften können bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen die Wälzkörper 6 für einen großen Toleranzbereich der sie aufnehmenden Lagernuten eingesetzt werden, wobei gleichzeitig die Notwendigkeit entfällt, die ergänzenden metallischen Wälzkörper 5, wie bislang üblich, genau den Lagernuttoleranzen, in die sie einzubringen sind, größenmäßig anzupassen, vielmehr können und sollen diese durchaus kleiner bemessen sein. Somit entfällt eine bislang übliche Lagerhaltung verschiedener Toleranzklassen von Wälzkörpergrößen.
Selbstverständlich lassen sich die dargestellten kugelförmigen Wälzkörper 5 und 6 durch zylinderförmige Wälzkörper ersetzen, was die erfindungsgemäße Funktion und die sich daraus ergebenden Vorteile der offenbarten Lagervorrichtung nicht beeinträchtigt.

1: Hohlwelle
2: Innenwelle
3: Lagervorrichtung
4a, 4b: Lagernut
5: Wälzkörper
6: Wälzkörper
7a, 7b: Lagernut
8: Käfig
9: Luftspalt
10a, 10b: Lagernut
11a, 11b: Lagernut
12a, 12b: Nockenvorsprung
13a, 13b: Aufnahmenut
14: Luftspalt

Claims

Lagervorrichtung insbesondere für Kraftfahrzeuglenkwellen zur Drehmomentübertragung zwischen einer Innenwelle und eine diese umgebenden Hohlwelle bei gleichzeitiger Verschieblichkeit in Axiallängsrichtung der Innenwelle relativ zur Hohlwelle mit einer Mehrzahl von in mindestens zwei Lagernuten aufgenommenen metallischen Wälzkörpern, wobei die Lagernuten zum Teil in der Außenkontur der Innenwelle und der Innenkontur der Hohlwelle ausgespart sind, dadurch gekennzeichnet dass eine Teilmenge der Wälzkörper (6) aus hartelastischem Material besteht, wobei die Außenabmaße dieser Wälzkörper (6) geringfügig größer bemessen sind als die Außenabmaße der metallischen Wälzkörper (5).
Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang der Innenwelle (2) symmetrisch verteilt vier Lagernuten (4a, 4b, 7a, 7b, 10a, 10b, 11a, 11b) mit darin aufgenommenen Wälzkörpern (5, 6) angeordnet sind, wobei sich in jeweils zwei sich gegenüber liegenden Lagernuten (4a, 4b, 7a, 7b) nur metallische Wälzkörper (5) und in den verbleibenden beiden Lagernuten (10a, 10b, 11a, 11b) Wälzkörper (6) aus hartelastischem Material befinden.
Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus hartelastischem Material bestehende Wälzkörper (6) und metallische Wälzkörper (7) abwechselnd in den einzelnen Lagernuten (4a, 4b, 7a, 7b, 10a, 10b, 11a, 11b) aufgenommen sind.
Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (5, 6) in einem gemeinsamen Käfig aufgenommen sind.
Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wälzkörper (6) aus hartelastischem Material bestehen, wobei am Außenumfang der Innenwelle (2) mindestens ein sich in Axiallängsrichtung erstreckender Nockenvorsprung (12a, 12b) angeordnet ist, welcher in eine korrespondierende Aufnahmenut (13a, 13b) an den Innenkontur der Hohlwelle (1) dergestalt aufgenommen ist, dass im Zusammenbauzustand von Hohlwelle (1) und Innenwelle (2) ein geringer Luftspalt (14) zwischen der Oberfläche des Nockenvorsprungs (12a, 12b) und der Oberfläche der Aufnahmenut (13a, 13b) gegeben ist.
Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus hartelastischem Material bestehenden Wälzkörper (6) je nach geforderter Dämpfungskennlinie der Lagervorrichtung unterschiedliche Shore-Härtegrade aufweisen.