DE2545927B2

DE2545927B2 - Drehmomentuebertragendes sicherheitswellenstueck und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2545927B2
Application number: DE19752545927
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing.; Wahler Hans Dipl.-Ing.; 7300 Esslingen Wahler
Original assignee: Gustav Wahler GmbH and Co KG
Current assignee: Gustav Wahler GmbH and Co KG
Priority date: 1975-10-14
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1977-11-24
Also published as: DE2545927C3; DE2545927A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein drehmomentübertragendes Sicherheitswellenstück nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Solche Sicherheitswellenstücke werden z. B. als Zwischen- oder Endstücke für die Lenkspindeln von Kraftfahrzeuglenkungen verwendet, indem man die Sicherheitswellenstücke drehfest und axial verschiebefest mit der Lenkspindel verbindet, so daß sie also einen

■to starren Längenabschnitt auf der Länge der Lenkspindel bilden. Das Sicherheitswellenstück überträgt dabei, wie die Lenkspindel selbst, alle an der Lenkspindel angreifenden Kräfte, vor allem Lenkmomente, als in sich starres Teil ohne Verformung, soweit sie unterhalb der Sollbeanspruchungsgrenze liegen. Bei Unfällen jedoch, bei denen die Lenkspindel einer mechanischen Druckbelastung, Zugbelastung, Biegung und/oder Torsion mit über dei SoJlbeanspruchungsgrenze liegenden Werten ausgesetzt wird, bildet das Sicherheitswellenstück denjenigen Teil der Lenkspindel, der zur Vermeidung von vor allem Personenschäden und Verletzungen sich im Bereich des Wellrohres mechanisch verformen kann und dabei zumindest einen Teil der wirksamen mechanischen Energie aufzehrt.

Eine derartige energieverzehrende Verformung ist möglich in Richtung und/oder in Umfangsrichtung zur Lenkspindelachse und/oder quer zu dieser. Verformungen dieser Art erfolgen dann im Bereich des Wellrohres, das von der Formgestaltung her hierfür prädestiniert ist.

Um dem hohen Sicherheitsverlangen für den Normalbetrieb, also nicht für den Fall eines Aufpralls zu genügen, ist es jedoch notwendig, daß das Wellrohr endseitig fest und zuverlässig mit dem jeweiligen Wellenanschluß, mit dem das Sicherheitswellenstück in die Lenkspindel eingesetzt wird, verbunden ist, wobei eine Doppelsicherung für den Fall, daß eine der festen Verbindungen einmal ausfallen sollte, vorhanden ist. Um diesen Forderungen zu entsprechen, hat man die Enden

Wellrohres am Ende des Zylinderhülsenabschnittes einem Radialflansch umgeformt, der beim Aufschie- T Wllhs mit seinem Zylinderhülsenabschitt

einem Radialflan g, Aufschie

Tx\ des Wellrohres mit seinem Zylinderhülsenabschnitt f eine Zylinderhülse des Wellenanschlusses an einem iTrt ebenfalls vorgesehenen Radialflansch zum Anhlag kommt, und hiernach die beiden Radialflansche ^5C _(]ang jhrer äußeren Umfangsfläche miteinander ^e _rscnweißt. Als zweite Sicherung hat man dann ferner ^V f den Zylinderhülsenabschnitt am Ende des We'lrohres einen Klemmring warm aufgezogen. Diese Gesamtbefestigung ¹St jedoch unzuverlässig. Die Schweißnaht selbst ist nicht unbedingt konstruktionsgerecht gelegt, ft'e Umformung der Radialflansche erfordert einen besonderen Umformbearbeitungsgang und relativ viel hinsichtlich der mechanischen Belastung nur unzureihend ausgenutztes Material. Vor allem stellt der warm aufgezogene Klemmring eine sehr unsichere und unzuverlässige, auch nicht unbedingt reproduzierbar herstellbare zusätzliche Sicherung dar, die dem hohen Sicherheitsverlangen heutiger Zeit voll genügen könnte. Zudem ist der Klemmring als zusätzliches Konstruktionselement und dessen Aiifschrumpfung als besonderer Bearbeitungsschritt aufwendig und teuer.

Gemäß einem älteren, nicht vorveröffentlichten Vorschlag (s. DT-OS 24 32 182) ist ein Ende des Wellrohres zu einem radialen, nach innen gerichteten und flanschartigen Bodenteil umgeformt, der, sich radial erstreckt, in einem Nabenzapfen dadurch eingebettet wird, daß auf diesen Bodenteil im Druckgußverfahren der dabei zugleich geformte Nabenzapfen so aufgebracht wird, daß er den Bodenteil in Axialrichtung beidseitig formschlüssig umfaßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein drehmomentübertragendes Sicherheitswellenstück zu schaffen, das zwischen Wellrohr und Wellenanschluß eine zweifache feste Verbindung besitzt, die reproduzierbar in immer gleicher Güte herstellbar ist, formschlüssig wirkt und dabei außerordentlich sicher und zuverlässig auf Dauer ist und somit auch hohen Sicherheitsansprüchen genügt, und die bei allem ohne großen Materialeinsatz, ohne zusätzliche Konstruktionselemente und/oder aufwendige Fertigungsschritte zu erfordern, und somit billig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Gestaltung ist einfach, ohne großen Aufwand herstellbar und somit außerordentlich billig. Der Materialeinsatz ist gering, zusätzliche Teile werden nicht benötigt. Ferner dienen als eine sichere Befestigung die aus dem Zylinderhülsenabschnitt des Wellrohres herausgearbeiteten, also materialeigenen Vorsprünge. Da diese in Radialrichtung herausgearbeitet sind, somit also im wesentlichen rechtwinklig zur Wandung des Zylinderhülsenabschnittes stehen, sind sie außerordentlich biegesteif und gegen hohe Belastungen verformungssicher. Da die Radialvorsprünge in die Radialaussparungen des zylindrischen Zapfens eingreifen ist eine formschlüssige, in Richtung aller drei Achsen eines räumlichen Koordinatensystems feste Verbindung geschaffen. Auch wenn die Verbindung auf Torsion beansprucht wird, ist sie ohne jegliche Verformung infolge der entsprechenden, auf dem Umfang verteilten Zahl von Radialaussparungen und darin eingreifenden Radialvorsprüngen jeglicher Belastung unterhalb der Sollgrenzc gewachsen. Als drittes Sicherungsglied könnte natürlich immer noch auf die Umfangsfläche des Zylinderhülsenabschnittes einer Klemmhülse aufgesetzt sein, die eine radiale Aufweitung des Zylinderhülsen.ibsehnittex und damit ein Außereingriffgelangen der Radialvorsprünge mit den Radialaussparungen blockiert, was aber nicht erforderlich ist und dann allenfalls für eine Dreifachsicherung noch zusätzlich in Betracht kommen könnte.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Radialaussparungen des zylindrischen Zapfens als Radialbohrungen und die aus dem Zylinderhülsenabschnitt aus dessen Material herausgearbeiteten Radialvorsprünge als rotationssymmetrische Buckel oder durchgezogene, etwa ringförmige Kragen ausgebildet sind. Solche Buckel sind ■/.. B. in einem einzigen Arbeitsgang, beispielsweise mittels eines Schieberwerkzeuges, am besten von außen her, aber erforderlichenfalls auch von innen her, ausprägbar. Gleiches gilt natürlich auch für die durchgezogenen, ringförmigen Kragen, die besonders vorteilhaft sind, da sie ein hohes Widerstandsmoment besitzen. Ferner sind derartige durchgezogene ringförmige Kragen vor allem schnell und leicht im Ziehbearbeitungsgang herstellbar. Außerdem haben sie den Vorteil, daß sie rundum klemmend in die Radialbohrungen eingreifen, wobei bereits kleine Eingrifftiefen ausreichend sind.

Der als Zylinderhülse ausgebildete Zapfen kann an dem Wellrohr abgewandten Ende einstückig in einen Anschlußzapfen übergehen, mit dem das gesamte Sicherheitswellenstück dann in z. B. eine Fahrzeuglenkspindel fest eingebaut wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist im Anspruch 3 angegeben.

Dadurch ist diese zweite Befestigung durch Schweißen konstruktionsgerecht und erfordert im Vergleich zu Radialflanschen keinen zusätzlichen Materialeinsatz. Im Verein mit den in die Radialaussparungen, insbesondere Radialbohrungen, eingreifenden Radialvorsprüngen, insbesondere rotationssymmetrischen Buckeln oder durchgezogenen Kragen, ist diese Gestaltung der Schweißnaht von besonderem Vorteil, denn durch die formschlüssige, über die Radialbohrungen und darin eingreifenden Buckel oder durchgezogenen Kragen erreichte Befestigung kann die Schweißnaht von einer Drehmomentbeanspruchung, sowie Zug-, Druck- oder Biegebelastung weitgehend entlastet werden, der sie aber auch ohne die Radialvorsprünge standhalten

könnte.

Im Anspruch 5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines drehmomentübertragenden Sicherheitswellenstückes angegeben. Hinsichtlich des Arbeitsganges, wonach man durch Durchziehen den Kragen in die Radialbohrung hineinpreßt, entspricht dies einem Lochen mit gleichzeitigem Durchziehen, was herstellungstechnisch besonders schnell, einfach und daher billig zu bewerkstelligen ist.

Um der Gefahr evtl. Einrisse und damit der 55 Entstehung von Kerben, die je nach Material und/oder Größe der Kragen evtl. gegeben sein könnte, wenn man Lochen und Durchziehen in einem Arbeitsgang miteinander verbindet, entgegenzuwirken, kann man einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des 60 Verfahrens gemäß der Erfindung vorgehen, wie im Anspruch 6 angesprochen ist.

Hierbei wird also eine Verlochung des Zylinderhülsenabschnittes an der Stelle vorgenommen, an der danach in einem zweiten Arbeitsgang das Durchziehen 65 der Kragen erfolgt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Y i g. 1 cine teilweise geschnittene Seitenansicht eines drehmomentiibcrtragendcn Sicherheitswellenstückes,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt Il gemäß Fi g. 1 in einem axialen Längsschnitt,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie IH-III in Fi g. 2.

In Fig. I ist ein drehmomentübertragendes Sichcrheitswellenstüek IO gezeigt, das insbesondere für die nicht weiter gezeigte Lenkspindel von Kraftfahrzeugen geeignet ist und in den Kraftfluß der Lenkspindcl dadurch als ein Längenabschnitt der Lenkspindel eingesetzt wird, daß das Wellenstück 10 mit an beiden Enden vorgesehenen Wellenanschlüssen 11 fest mit der Lenkspindcl verbunden wird. Das Wellenstück 10 weist ein etwa faltenbalgartig gestaltetes Wellrohr 12 aus Metall auf, das gegen Biegung, Torsion sowie Zug- und Druckbelastung, soweit sie unterhalb einer Sollbeanspruchungsgrcnze liegen, in sich steif ist, jedoch oberhalb der Sollbeanspruchungsgrcnze unter zumindest teilweiscr Aufzehrung der mechanischen Energie mechanisch verformbar ist. Das Wellrohr 12 ist an den Enden mit dem dazu koaxialen Wellenanschluß 11 einmal durch Schweißen mechanisch verbunden, wie später noch näher erläutert wird.

Das Wellrohr 12 ist mit einem endseitigen Zylinderhiilsenabschnitt 13 im wesentlichen radialspielfrei auf einen als Zylinderhülse ausgebildeten zylindrischen Zapfen 14 aufgesteckt, den er außen auf dessen gesamter axialer Länge übergreift. Der Zapfen 14 ist Bestandteil des Wellenanschlusses 11 und einstückig mit einem Anschlußzapfen 15 des Wellenanschlusses 11.

Der Zapfen 14 weist mehrere in Umfangsrichtung in gleichen Winkclabständen voneinander angeordnete, radial von außen nach innen durchgehende Radialbohrungen 16 auf. An den Radialbohrungen 16 zugeordneter Axial- und Umfangsstelle des Zylinderhülsenabschnittes 13 sind Radialvorsprünge 17 vorgesehen, die aus dem Material des Zylinderhülsenabschnittes 13 herausgearbeitet und z. B. als durchgezogene, etwa ringförmige Kragen ausgebildet sind, wie vor allem F i g. 2 und 3 zeigen. Bei einem nicht gezeigten anderen Ausführungsbeispiel können die Radialvorsprünge 17 auch als rotationssymmetrische Buckel gestaltet sein. Erkennbar ist, daß die Radialvorsprünge 17 in Gestalt durchgezogener, ringförmiger Kragen jeweils in die Radialbohrungen 16 formschlüssig und sichernd als mechanisch feste Verbindung zwischen Wellrohr 12 und Wcllenanschluß 11 eingreifen. Wie in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, kann auf die Umfangsflächc des Zylinderhülsenabschnittes 13 noch eine Klcmmhülse 18 als weitere Sicherung aufgesetzt sein.

Der Zapfen 14 läuft auf der dem Wellrohr 12 abgewandten Axialseite (vgl. insbesondere F i g. 2, links) in einen zu dieser Axialseite hin überstehenden Ringbund 19 aus, der radial nach innen zu über eine Ringauskehlung 20 mit Durchmesserabnahme in den Anschlußzapfen 15 übergeht. Der Zyiinderhülsenabschnitt 13 des Wellrohres 12 reicht mit seinem dem Wellrohr 12 abgewandten Ende in Axialrichtung bis hin zum Ringbund 19, mit dem er im wesentlichen bündig innerhalb einer Radialebene abschließt. Der Zapfen 14

to ist mittels einer entlang der Axialstirnseite seines Ringbundes 19 sowie der Axialstirnseite des Zylinderhülsenabschnittes 13 verlaufenden Schweißnaht 21 mit letzterem fest verschweißt.

Bei der Herstellung des Sicherheitswellenstückcs 10 kann man z. B. so vorgehen, daß man in den zylindrischen Zapfen 14 des Wellenanschlusses 11 zunächst mehrere in Umfangsrichtung in vorzugsweise gleichen Winkelabständen voneinander angeordnete Radialbohrungen 16 einarbeitet, daß man sodann das Wellrohr 12 mit seinem endseitigen Zyiinderhülsenabschnitt 13 auf den Zapfen 14 axial aufschiebt, daß man danach im Bereich jeder Radialbohrurig 16 aus dem Material des Zylinderhülsenabschnittes 13 die Radialvorsprünge 17 in Gestalt von Kragen, wie gezeigt, oder

2"j auch von nicht gezeigten Buckeln heraus- und in die Radialbohrungen 16 hineindrückt und daß man dann den Zapfen 14 und den Zylinderhülsenabschnilt 13 auf der dem Wellrohr 12 abgewandten Axialstirnseite durch Schweißen mittels der Schweißnaht 21 in Form einer

j(i Ringnaht miteinander zusätzlich fest verbindet. Bei diesem Verfahren erfolgt die Lochung und das Durchziehen des ringförmigen Kragens als Radialvorsprung 17 gleichzeitig in einem Arbeitsgang.
Statt dessen kann man auch so vorgehen, daß man vor

dem Aufschieben des Wellrohres 12 mit seinem endseitigen Zyiinderhülsenabschnitt 13 auf den Zapfen 14 in den Zyiinderhülsenabschnitt 13 an den Radialbohrungen 16 in dem Zapfen 14 zugeordneter Axial- und Umfangsstelle zunächst Bohrungen mit gegenüber den Radialbohrungen 16 kleinerem Durchmesser einarbeitet, also durch Lochung, daß man danach den Zyiinderhülsenabschnitt 13 und den Zapfen 14 derart zusammensteckt, daß jede im Durchmesser kleinere Bohrung im Zyiinderhülsenabschnitt 13 mit einer Radialbohrung 16 des Zapfens 14 koaxial verläuft, und daß man dann, vorzugsweise bei jeder Bohrung gleichzeitig in einem Arbeitsgang, z. B. mittels eine; Schieberwerkzeuges, das Randmaterial jeder im Durchmesser kleineren Bohrung im Zylinderhülsenabschniti

so 13 unter Bildung des in die zugeordnete Radialbohrunf 16 hineingreifenden, etwa rotationssymmetrischen Kra gen durchzieht.

Hierzu J Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehmomentübertragendes Sicherheitswellenstück, insbesondere für die Lenkspindel von Fahrzeugen, vor allem Kraftfahrzeugen, : inem etwa faltenbalgartig gestalteten, gegen cgung, Torsion sowie Zug- und Druckbelastung unterhalb einer Sollbeanspruchungsgrenze in sich steifen, jedoch oberhalb der Sollbeanspruchungsgrenze unter zumindest teilweiser Aufzehrung der mechanischen Energie mechanisch verformbaren Wellrohr, das an den Enden mit einem koaxialen Wellenanschluß vorzugsweise durch Schweißen mechanisch fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (12) mit einem endseitigen Zylinderhülsenabschnitt (13) im wesentlichen radialsphlfrei auf einen zylindrischen Zapfen (14) des Wellenanschlusses (11) aufgesteckt ist, der mehrere in Umfangsrichtung in vorzugsweise gleichen Winkelabständen voneinander angeordnete, radial nach außen offene Radialaussparungen (16) aufweist, und daß an der den Radialaussparungen (16) zugeordneten Stelle des Zylinderhülsenabschnittes (13) aus dessen Material herausgearbeitete Radialvorspränge (17) vorgesehen sind, die als Zusatzsicherung jeweils in die Radialaussparung (16) sichernd und formschlüssig eingreifen.

2. Sicherheitswellenstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialaussparungen (16) des zylindrischen Zapfens (14) als Radialbohrungen und die aus dem Zylinderhülsenabschnitt (13) aus dessen Material herausgearbeiteten Radialvorsprünge (17) als rotationssymmetrische Buckel oder durchgezogene, etwa ringförmige Kragen ausgebildet sind.

3. Sicherheitswellenstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Zylinderhülse ausgebildete Zapfen (14) an der dem Wellrohr (12) abgewandten Axialseite in einen zu dieser Axialseite hin überstehenden Ringbund (19) ausläuft, der radial nach innen über eine Ringauskehlung (20) in einen Anschlußzapfen (15) übergeht, daß der Zylinderhülsenabschnitt (13) des Wellrohres (12) mit seinem Ende in Axialrichtung bis zum Ringbund (19) reicht und daß die Zylinderhülse mittels einer entlang der Axialstirnseite ihres Ringbundes (19) und der Axialstirnseite des Zylinderhülsenabschnittes (13) verlaufenden Schweißnaht (21) mit letzterem fest verschweißt ist.

4. Sicherheitswellenstück nach einem der Ansprüche 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Umfangsfläche des Zylinderhülsenabschnittes (13) eine Klemmhülse (18) als weitere Sicherung aufgesetzt ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines drehmomentübertragenden Siche^rheitswellenstückes nach den Ansprüchen 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in den zylindrischen Zapfen (14) des Wellenanschlusses (11) mehrere in Umfangsrichtung in vorzugsweise gleichen Winkelabständen voneinander angeordnete Radialbohrungen (Aussparungen 16) einarbeitet, daß man sodann das Wellrohr (12) mit seinem endseitigen Zylinderhülsenabschnitt (13) auf den zylindrischen Zapfen (14) axial aufschiebt, daß man danach im Bereich jeder Radialbohrung aus dem Material des Zylinderhülsenabschnittes (13) Radialvorsprünge (17) in Gestalt von Buckeln oder

vorzugsweise von Kragen heraus- und in die Radialbohrungen hineindrückt und daß man dann den zylindrischen Zapfen (14) und den Zylinderhülsenabschnitt (13) auf der dem Wellrohr (12) abgewandten Axialstirnseite durch Schweißen mittels einer Ringschweißnaht (21) miteinander zusätzlich fest verbindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Aufschieben des Wellrohres (12) mit seinem endseitigen Zylinderhülsenabschnitt (13) auf den zylindrischen Zapfen (14) in den Zylinderhülsenabschnitt (13) an den Radialbohrungen im zylindrischen Zapfen (14) zugeordneter Axial- und Umfangsstelle Bohrungen mit gegenüber den Radialbohrungen kleinerem Durchmesser einarbeitet, daß man danach beide Teile (13, 14) derart zusammensteckt, daß jede Bohrung im Zylinderhülsenabschnitt (13) mit einer Radialbohrung im zylindrischen Zapfen (14) koaxial verläuft, und daß man dann, vorzugsweise bei jeder Bohrung gleichzeitig in einem Arbeitsgang, z. B. mittels eines Schieberwerkzeuges, das Randmaterial jeder Bohrung im Zylinderhülsenabschnitt (13) unter Bildung eines in die zugeordnete Radialbohrung hineingreifenden, etwa rotationssymmetrischen Kragens (Radialvorsprung 17) durchzieht.