DE69810709T2

DE69810709T2 - Befestigung für eine Lenksäule

Info

Publication number: DE69810709T2
Application number: DE69810709T
Authority: DE
Inventors: Michael D. Beaman
Original assignee: Torrington Co
Current assignee: Drivesol Global Steering Inc Troy Mich Us
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: EP0893326A3; EP0893326A2; JPH1182500A; US5829891A; DE69810709D1; EP0893326B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Montage einer drehbaren Welle innerhalb eines Gehäuses und insbesondere auf eine Montage, die für eine Lenksäulenwelle geeignet ist.
Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gehören zu der allgemeinen Kenntnis des Fachmanns auf dem technischen Gebiet.
Typischerweise benötigen obere schwenkbare Lenksäulen für Automobile eine Federvorlast, um axiales freies Spiel zu eliminieren, sowie einen Toleranzring, um radiales freies Spiel zu eliminieren. Gegenwärtig wird eine Schraubenfeder aus Stahl oder eine wellenförmige Feder verwendet, in Kombination mit einem Toleranzring aus Stahl oder Kunststoff. Diese Montageanordnung erfordert einen großen Betrag von axialem Raum und führt Schwingungen in das Rotationsdrehmoment ein. Zusätzlich gestatten solche Montageanordnungen die Übertragung von Geräuschen und Vibrationen zu oder von der Welle durch das Lager hindurch.
Lager mit Winkelkontakt (Schräglager), die in solchen Lenksäulen verwendet werden, müssen axial fixiert werden und dürfen kein radiales freies Spiel haben. Gegenwärtig werden die äußeren Ringe der Lager unter Preßsitz in einem Gehäuse gegen eine abgestufte Schulter gehalten. Dieser Festsitz eliminiert den äußeren Freiraum zwischen Ring und Gehäuse, und die Stufe gibt einen positiven Halt für das dagegen sitzende Lager. Jedoch verursacht der große Bereich der Überlagerung eine Verformung der Laufbahnen aufgrund der nicht gleichförmigen Wanddicke des Gehäuses und gestattet infolgedessen nicht, daß sich die äußere Laufbahn selbst ausrichtet.
Insbesondere sind viele Gehäuse von Lenksäulen dieser Art gegossen und haben um die Lager herum Wandabschnitte, die relativ dünn sind, mit Verstärkungen an wenigen Stellen. Wenn ein runder äußerer Ring in eine runde Gehäusebohrung mit veränderlicher Wanddicke eingepreßt wird, wie oben beschrieben, wird die sich ergebende Laufbahn verformt. Die Verformung ist proportional zu dem Betrag der Überlagerung. Typischerweise werden Lagerringe und Gehäusebohrungen ohne enge Toleranzen geformt oder maschinell bearbeitet.
Da solche Gehäuse für Lenksäulen aus Magnesium oder Aluminium hergestellt werden, mit einem höheren Koeffizienten der Wärmedehnung als der äußere Ring aus Stahl, wird eine zusätzliche Überlagerung in das System hinein konstruiert, um einen Festsitz über einen Temperaturbereich aufrecht zu erhalten. Die große Summierung von Toleranzen kann eine Überlagerung von 0,178 mm (0,007 Zoll) oder mehr zur Folge haben. Dieser große Betrag der Überlagerung verformt die installierte äußere Laufbahn aufgrund der veränderlichen Wanddicke des Gehäuses, die zunimmt und Veränderungen in der Rotationswirkung des Systems induziert. Zusätzlich kann ein "Klick" aufgrund von falsch ausgerichteten Laufbahnen auftreten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lenksäulenanordnung mit einem Gehäuse geschaffen, das eine Bohrung mit ersten und zweiten Lagersitzen hat, die axial längs einer Achse voneinander beabstandet sind, mit ersten und zweiten Schräglagern, die erste und zweite äußere Ringe haben, die an den ersten und zweiten Lagersitzen sitzen, und die erste und zweite innere Ringe haben, wobei sich eine Welle durch die Bohrung des Gehäuses hindurch erstreckt und wobei eine Vorspanneinrichtung vorgesehen ist, um wenigstens eines der ersten und zweiten Schräglager derart vorzuspannen, daß die Schräglager vorbelastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lagersitz derart geneigt ist, daß der Durchmesser der Bohrung sich radial nach innen in der axial nach innen gerichteten Richtung verjüngt, daß die Welle einen dritten geneigten Lagersitz hat, der so angeordnet ist, daß einer der ersten und zweiten inneren Ringe an dem dritten geneigten Lagersitz sitzt und die Vorspanneinrichtung die Schräglager veranlaßt, axial mit den drei geneigten Lagersitzen zu fluchten.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Bezeichnungen Bezug genommen.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Welle, die innerhalb eines Gehäuses montiert ist und den Stand der Technik veranschaulicht;
Fig. 2 ist eine Endansicht des Gehäuses einer Lenksäule, die den Stand der Technik veranschaulicht;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Rundheit eines äußeren Rings eines Lagers darstellt, das in dem Lenksäulengehäuse von Fig. 2 eingebaut ist;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer innerhalb eines Gehäuses montierten Welle, die ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
Fig. 5 bis 10 sind Schnittansichten einer in einem Gehäuse montierten Welle, die alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Fig. 1 veranschaulicht eine Welle 10, die innerhalb eines Gehäuses 12 durch Schräglager 14 und 16 gelagert ist. Ein Toleranzring 18 aus Stahl ist geteilt oder segmentiert, so daß er dicht radial nach innen gegen die Welle 10 und unter einen verjüngten Abschnitt eines inneren Lagerrings 20 des Schräglagers 14 greifen kann, um ein radiales freies Spiel zwischen der Welle 10 und dem inneren Lagerring 20 zu vermindern. Eine Schraubenfeder 22 aus Stahl schafft eine axiale Vorlast an den Schräglagern 14 und 16, indem sie axial gegen den Toleranzring 18 aus Stahl drückt.
Fig. 2 veranschaulicht ein bestimmtes Gehäuse 24 für eine Lenksäule nach dem Stand der Technik mit einer zentralen Bohrung 26 und Öffnungen 28, 30, 32 und 34 zur Aufnahme verschiedener Komponenten. Das Gehäuse 24 ist aus Aluminium oder Magnesium mit Verstärkungsrippen und Montageabstützungen verschiedener Gestaltungen gegossen. Quetsch- oder Druckbuchsen (nicht dargestellt) können in der Bohrung ausgebildet sein, um einen Festsitz mit einem äußeren Lagerring mit einem Minimum von Verformung des äußeren Rings zu erleichtern.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Verformung eines äußeren Rings eines Lagers, wenn dieser in das Gehäuse 24 eingepreßt ist. Die erweiterten Teile der graphischen Darstellung bei etwa 30º und 180º entsprechen dünnen Abschnitten der Wand des Gehäuses 24.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 veranschaulicht, in welcher eine Welle 38 innerhalb eines Gehäuses 40 durch erste und zweite Schräglager 42 und 44 montiert ist. Erste und zweite Lagersitze 46 und 48 des Gehäuses 40 sind axial mit Abstand längs einer Achse 50 angeordnet und so verjüngt, daß der Durchmesser einer Bohrung 52 sich radial nach innen in der axial nach innen gerichteten Richtung verjüngt. Die Welle 38 erstreckt sich durch die Bohrung 52 des Gehäuses 40 und hat einen dritten Lagersitz 54, der radial nach innen in einer Richtung auf das axiale Zentrum des Gehäuses 40 zu verjüngt ist.
Die Schräglager 42 und 44 haben erste und zweite äußere Ringe 56 und 58, die an den ersten und zweiten Lagersitzen 46 und 48 sitzen, und einen ersten inneren Ring 60, der an dem dritten Lagersitz 54 sitzt. Eine wendelförmige Schraubenfeder 62 liegt an einem Schnappring 64 an und übt eine axial nach innen (in bezug auf das Gehäuse 40) gerichtete Kraft auf einen geteilten Toleranzring 66 aus. Als Ergebnis dieser Kraft werden die Schräglager 42 und 44 axial mit den drei verjüngten Lagersitzen 46, 48 und 54 ausgerichtet und sind vorbelastet.
Vorzugsweise haben die Schräglager 42 und 44 innere und äußere Ringe mit geneigten Oberflächen, die den verjüngten Lagersitzen entsprechen, auf denen sie positioniert sind, wie für das erste Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist. Eine solche Gestaltung kann beispielsweise durch Prägen oder maschinelles, Bearbeiten ausgebildet werden. Jedoch können wenigstens einige der Vorteile des verjüngten Lagersitzes mit inneren und äußeren Ringen realisiert werden, die abgerundete (nicht konisch verjüngte) Oberflächen haben, die an den verjüngten Lagersitzen anliegen.
Fig. 5 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ähnlich demjenigen von Fig. 4, aber mit einer Welle 70 mit einem dritten Lagersitz 72, der aus einem elastomeren Polymer gebildet ist, wie beispielsweise einem Urethan, und mit einem alternativen Vorspannmittel. Ein Montagering 74, der beispielsweise aus einem elastomeren Polymer wie Urethan gebildet ist, ist axial zwischen einem Schnappring 76 und einem inneren Ring 68 axial zusammengedrückt, anstelle der Schraubenfeder 62, um die gewünschte Kraft zum Ausrichten und Vorbelasten der Schräglager 42 und 44 zu liefern.
Das dritte, in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 mit dem nachgiebigen dritten Lagersitz 72, hat aber einen nachgiebigen Montagering 78 einer unterschiedlichen Gestalt. Anstatt innerhalb einer Welle 80 zurückgesetzt zu sein, ist der Montagering 78 über einem zylindrischen Abschnitt der Welle 80 angeordnet, der mit einem vierten Lagersitz 82 fluchtet. Der Montagering 78 ist aus einem elastomeren Polymer gebildet, wie beispielsweise Urethan, und umfaßt einen keilförmigen Abschnitt 84 zur Anlage an einem entsprechend verjüngten Abschnitt eines inneren Rings 68.
Das in Fig. 7 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4, weist aber eine dünne Schicht oder einen Film 84 und 86 eines elastomeren Polymers, wie beispielsweise Urethan, an den inneren Ringen 60 und 68 auf und umfaßt eine alternative Anordnung für die Vorspannfeder. Eine schraubenförmige Feder 88 ist nicht innerhalb der Welle 90 zurückgesetzt, wie bei dem früheren Ausführungsbeispiel, sondern sie ruht auf einem zylindrischen Abschnitt der Welle 90 in Ausrichtung mit einem vierten Lagersitz 92. Die Schraubenfeder 88 ist axial zwischen einem Schnappring 94 und einem geteilten Keilring 96 zusammengedrückt, um die gewünschte axiale Kraft zu liefern, um die Schräglager 42 und 44 auszurichten und vorzubelasten.
Fig. 8 veranschaulicht, daß die Gestaltung von Fig. 6 mit ersten und zweiten Schräglagern 98 und 100 mit ersten und zweiten äußeren Ringen 102 und 104 verwendet werden kann, die einen runden Abschnitt haben, der an einem Zwischendurchmesser der verjüngten Lagersitze 46 und 48 anliegt. Wie zuvor festgestellt wurde, kann die Verwendung solcher Lager wenigstens einen Teil der Vorteile erreichen, die mit den bevorzugten Lagern erreicht werden können, die verjüngte Abschnitte haben, die an den verjüngten Lagersitzen anliegen.
Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen alternative Ausführungsbeispiele, bei denen das Vorspannmittel in dem Gehäuse angeordnet ist und eine axial nach außen gerichtete Kraft auf wenigstens eines der Schräglager ausübt, statt auf die Welle, wobei eine axial nach innen gerichtete Kraft auf eines der Schräglager ausgeübt wird. In Fig. 9 übt eine wendelförmige Schraubenfeder 106, die an einem Gehäuse 108 angebracht ist, eine axiale Kraft auf einen Keilring 110 aus, der an dem äußeren Ring 58 angreift. Ein Schnappring 112, der einen runden Querschnitt hat, bietet einen Teil eines Lagersitzes für das Schräglager 44 und erleichtert das Ausrichten des inneren Rings 68. Wie in Fig. 7 ist ein Film 84 und 86 an den inneren Ringen 60 und 68 vorgesehen.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 10 verwendet nachgiebige Montageringe 114 und 116 ähnlich dem Montagering 78 des Ausführungsbeispiels der Fig. 6 und 8, aber sie sind an dem Gehäuse 118 positioniert statt auf der Welle. Die Montageringe 114 und 116 liegen an Anschlagflächen 120 und 122 des Gehäuses 118 an und liefern eine axial nach außen gerichtete Kraft auf die beiden Schräglager 42 und 44. Keilförmige Abschnitte 124 und 126 greifen an den äußeren Ringen 56 und 58 an, um die Lager zu zentrieren und auszurichten, wobei sie gegenüber dem Gehäuse isoliert werden.
Diese Ausführungsbeispiele haben viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik zur Folge. Die große Abschrägung an dem äußeren Laufring, die zu einer passenden winkelförmigen Stufe in der Gehäusebohrung paßt, eliminiert die Notwendigkeit für den Preßsitz, während trotzdem die Anwendungsanforderungen aufrechterhalten werden. Diese Ausbildungen können die Drehbelastung und die Drehmomentvariationen des Systems vermindern und das Zusammenbauen erleichtern. Die zueinander passenden Verjüngungen geben dem Lager Freiheit zur Selbstausrichtung und vermeiden dadurch das übliche "Klick"-Geräusch. Auch können eine sekundäre maschinelle Bearbeitung an der Gehäusebohrung, ein Endschleifen des äußeren Rings und eine geformte Gegenbohrung in dem äußeren Ring potentiell eliminiert werden.

Claims

1. Lenksäulenanordnung mit einem Gehäuse (40), das eine Bohrung (52) mit ersten und zweiten Lagersitzen (46, 48) hat, die axial längs einer Achse (50) voneinander beabstandet sind, mit ersten und zweiten Schräglagern (42, 44), die erste und zweite äußere Ringe (56, 58) haben, die an den ersten und zweiten Lagersitzen sitzen, und die erste und zweite innere Ringe (60, 68) haben, wobei sich eine Welle (38) durch die Bohrung (52) des Gehäuses hindurch erstreckt und wobei eine Vorspanneinrichtung (62) vorgesehen ist, um wenigstens eines der ersten und zweiten Schräglager derart vorzuspannen, daß die Schräglager vorbelastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lagersitz (46, 48) derart geneigt ist, daß der Durchmesser der Bohrung (52) sich radial nach innen in der axial nach innen gerichteten Richtung verjüngt, daß die Welle (38) einen dritten geneigten Lagersitz (54) hat, der so angeordnet ist, daß einer der ersten und zweiten inneren Ringe (60, 68) an dem dritten geneigten Lagersitz sitzt und die Vorspanneinrichtung (62) die Schräglager (42, 44) veranlaßt, axial mit den drei geneigten Lagersitzen (46, 48, 54) zu fluchten.

2. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Vorspanneinrichtung (62) auf einem Abschnitt der Welle (38) mit einem verminderten Durchmesser angebracht ist.

3. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der dritte Lagersitz (54) radial nach innen in einer Richtung auf das axiale Zentrum des Gehäuses (40) zu geneigt ist.

4. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Vorspanneinrichtung eine Schraubenfeder (62) aufweist, die über der Welle (38) angeordnet ist und an einem Toleranzring (66) angreift.

5. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Vorspanneinrichtung einen Montagering (74) aus einem elastomeren Polymer aufweist, der über der Welle (70) angeordnet ist und an dem anderen der ersten und zweiten inneren Ringe angreift.

6. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, 2, oder 3, bei der die Vorspanneinrichtung eine Schraubenfeder (106) ist, die in dem Gehäuse zwischen den ersten und zweiten Lagersitzen (46, 48) angeordnet ist.

7. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Vorspanneinrichtung (74, 78) auf einem Abschnitt der Welle (70, 80) mit vermindertem Durchmesser angebracht ist und einen der inneren Ringe (68) axial nach innen vorspannt.

8. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der dritte geneigte Lagersitz aus einem elastomeren Polymer (72) geformt ist, das über der Welle angeordnet ist.

9. Lenksäulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner eine Schicht (84, 86) eines elastomeren Polymers zwischen wenigstens einem der geneigten Lagersitze und dem entsprechenden Schräglager (42, 44) aufweist.

10. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen vierten geneigten Lagersitz (92) aufweist, der beweglich auf der Welle derart angebracht ist, daß die Vorspanneinrichtung den vierten geneigten Lagersitz axial nach innen vorspannt.

11. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens einer der inneren Lagerringe (60, 68) eine geneigte Oberfläche hat, die dem geneigten Lagersitz entspricht, auf welchem er sitzt.

12. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens einer der äußeren Lagerringe (56, 58) eine geneigte Oberfläche hat, die dem geneigten Lagersitz (46, 48) entspricht, auf welchem er sitzt.

13. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei der wenigstens einer der inneren Lagerringe eine abgerundete Oberfläche hat, die an einem Zwischendurchmesser des geneigten Lagersitzes angreift, auf welchem er sitzt.

14. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 oder 13, bei der wenigstens einer der äußeren Lagerringe (102, 104) eine abgerundete Oberfläche hat, die an einem Zwischendurchmesser des geneigten Lagersitzes angreift, auf welchem er sitzt.

15. Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der einer der ersten und zweiten Lagersitze (110) beweglich an dem Gehäuse (108, 118) angebracht ist, und wobei die Vorspanneinrichtung (106, 116) diesen Lagersitz axial nach außen gegen den äußeren Ring des Schräglagers vorspannt, das auf diesem Lagersitz sitzt.

16. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens einer der ersten und zweiten Lagersitze (110) aus einem elastomeren Polymer hergestellt ist.

17. Lenksäulenanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Schnappring (112) auf einem oder dem Abschnitt der Welle mit vermindertem Durchmesser aufweist, der eine axial nach außen gerichtete Bewegung des anderen der ersten und zweiten inneren Ringe verhindert.