-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lenkgehäuse für eine Lenkeinrichtung in einem Fahrzeug.
-
Lenkeinrichtungen in Fahrzeugen weisen ein Lenkgestänge auf, welches in einem Lenkgehäuse aufgenommen ist und über das ein vom Fahrer vorgegebener Lenkwinkel in einen Radlenkwinkel an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs umgesetzt wird. Das Lenkrad ist mit einer Lenkwelle verbunden, welche in das Lenkgehäuse geführt ist. Die Lenkwelle ist mit einem Lenkgetriebe verbunden, über das die Lenkbewegung des Fahrers in eine Stellbewegung des Lenkgestänges umgesetzt wird.
-
Zur Gewichtsreduzierung kann das Lenkgehäuse, welches das Lenkgetriebe mit dem Lenkgestänge aufnimmt, aus Aluminium gefertigt sein, wobei aus Stabilitätsgründen üblicherweise an der Außenseite eines Gehäuserohres des Lenkgehäuses Verstärkungsrippen bzw. -streben angeordnet sind. Um die bei sicherheitsrelevanten Bauteilen vorgeschriebenen Steifigkeiten und Festigkeiten zu erreichen, sind die Verstärkungsstreben in der Regel großzügig dimensioniert, was sich jedoch mit einem höheren Gewicht des Lenkgehäuses einhergeht.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenkgehäuse für eine Lenkeinrichtung in einem Fahrzeug mit hoher Festigkeit bei zugleich reduziertem Gewicht auszubilden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
-
Das erfindungsgemäße Lenkgehäuse ist Bestandteil einer Lenkeinrichtung in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Personenwagen oder in einem Nutzfahrzeug. Das Lenkgehäuse besteht zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff und unterscheidet sich damit von den im Stand der Technik eingesetzten Leichtmetallgehäusen, die beispielsweise Aluminium-Lenkgehäuse ausgeführt sind. Das Lenkgehäuse aus Faserverbundwerkstoff weist ein signifikant reduziertes Gewicht gegenüber einem Leichtmetall-Lenkgehäuse auf, zugleich ist eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit gegeben. Aufgrund dieser Eigenschaftskombination besteht die Möglichkeit, die Materialdicke zu reduzieren, ohne dass dies zu Lasten der geforderten Festigkeit bzw. Steifigkeit geht.
-
Der Faserverbundwerkstoff weist hochzugfeste, leichte Fasern auf, beispielsweise Glas- oder Kohlefasern, Kunststofffasern wie Aramidfasern oder Metallfasern beispielsweise aus Stahl, welche insbesondere in einem Hilfsstoff aufgenommen sind, beispielsweise in einem Kunstharz oder in einem Thermo- oder Duroplast. Nach der Aushärtung des Hilfsstoffes weist das Lenkgehäuse seine endgültige Form mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften auf.
-
Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes sind vorteilhafterweise entlang von Kraft- bzw. Beanspruchungslinien im Lenkgehäuse ausgerichtet. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Fasern auf Zug beansprucht werden.
-
Zur Herstellung des Lenkgehäuses können in einem ersten Auslegungsschritt Berechnungsverfahren eingesetzt werden, mit denen Aussagen über die im Lenkgehäuse während des Betriebs auftretenden Kräfte getroffen werden können. Die ermittelten Kraft- bzw. Beanspruchungslinien im Lenkgehäuse stellen die Grundlage für die Ausrichtung der Fasern des Faserverbundwerkstoffs dar. Die Auslegung erfolgt beispielsweise derart, dass aufgrund lokaler Kräfteaussagen als Resultat des Berechnungsverfahrens anstatt einer zur Aufnahme der Kräfte ausreichenden Materialdicke eine Faseranzahl oder ein korrespondierender Parameter bestimmt wird. In dieser Weise wird eine Bauteiloptimierung im Hinblick auf das Gewicht erreicht. Außerdem ist es möglich, Hohlräume im Lenkgehäuse zu schaffen, soweit diese keine Kräftelinien enthalten. Mit herkömmlichen Herstellverfahren, beispielsweise Metall-Druckgießverfahren, können derartige Hohlräume nicht oder nur mit Schwierigkeiten hergestellt werden.
-
Das Lenkgehäuse besteht zumindest teilweise aus dem Faserverbundwerkstoff. In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das gesamte Lenkgehäuse aus Faserverbundwerkstoff gefertigt ist. Möglich sind aber auch Ausführungen, bei denen nur ein Teil bzw. ein Abschnitt des Lenkgehäuses aus Faserverbundwerkstoff besteht und ein weiterer Teil bzw. Abschnitt aus einem sonstigen Material, insbesondere einem Leichtmetall wie Aluminium. Des Weiteren ist es möglich, bereits während der Herstellung mechanische Komponenten in den Faserverbundwerkstoff einzubetten, beispielsweise Lagerringe, Aufnahmen für Lagerteile oder dergleichen.
-
Zur Herstellung eines Lenkgehäuses, das zumindest teilweise aus Glasfaserverbundwerkstoff mit eingebetteten mechanischen Komponenten oder Teilsystemen besteht, werden die Komponenten bzw. Teilsysteme in einem ersten Schritt an einer hierfür vorgesehenen Aufnahme angeordnet und fixiert und anschließend in einem zweiten Schritt in der Weise von dem Faserverbundwerkstoff umschlungen bzw. umwoben, dass die Fasern des Faserverbundwerkstoffs entlang der Kraft- bzw. Beanspruchungslinien ausgerichtet sind. Nach der Aushärtung des Hilfsstoffes des Faserverbundwerkstoffes entsteht ein hochfestes Lenkgehäuse, welches die Festigkeitsanforderungen mit minimalem Materialeinsatz und Gewicht aus der zugrunde liegenden Berechnung bzw. Simulation erfüllt.
-
Ein weiterer Vorteil der Herstellung des Lenkgehäuses aus einem Faserverbundwerkstoff ist der flexible Einsatz von den Anlagen bzw. Maschinen, mit denen der Faserverbundwerkstoff aufgetragen wird. Über Softwareänderungen können verschiedene Varianten realisiert werden. Schließlich ist es auch vorteilhaft, dass Lenkgehäuse mit konstanter Qualität erzeugt werden können.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist das Lenkgehäuse ein Gehäuserohr zur Aufnahme eines Gestängeteils auf sowie Verstärkungsstreben, welche an der Außenseite des Gehäuserohrs verlaufen. Vorteilhafterweise bestehen sowohl das Gehäuserohr als auch die Verstärkungsstreben an der Außenseite aus Faserverbundwerkstoff. Möglich ist es aber auch, beispielsweise ein Leichtmetall-Gehäuserohr zu verwenden und die Verstärkungsstreben aus dem Faserverbundwerkstoff zu fertigen. Die Verstärkungsstreben erstrecken sich beispielsweise bezogen auf die Gehäuserohrlängsachse über Kreuz, wodurch trotz eines begrenzten Materialeinsatzes eine signifikante Steifigkeitserhöhung des Lenkgehäuses erreicht werden kann. Hierbei liegen jeweils zwei an gegenüberliegenden Enden des Gehäuserohrs angeordnete Verstärkungsstreben über Kreuz, was zu einem Schnittpunkt der Begrenzungsebenen in Höhe des Gehäuserohres führt. Der Schnittpunkt liegt hierbei vorteilhafterweise innerhalb des Außenumfangs des Gehäuserohrs, beispielsweise zumindest annähernd in der radialen Mitte des Gehäuserohrs. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass benachbart zu den beiden gegenüberliegenden Enden des Gehäuserohrs jeweils vier sich in verschiedene radiale Richtungen erstreckende Verstärkungsstreben angeordnet sind. Jeweils zwei gegenüberliegende, über Kreuz angeordnete Verstärkungsstreben sind von einer gemeinsamen Begrenzungsebene begrenzt, so dass es insgesamt mindestens acht Verstärkungsstreben gibt, von denen jeweils zwei sich gegenüberliegende Verstärkungsstreben über eine gemeinsame Begrenzungsebene begrenzt sind. Es können somit vier Begrenzungsebenen definiert werden, von denen sich zumindest zwei Begrenzungsebenen in Höhe des Gehäuserohrs schneiden. Bevorzugt schneiden sich von den vier Begrenzungsebenen jeweils zwei in einem Punkt in Höhe des Gehäuserohrs, wobei die Schnittpunkte von jeweils zwei Begrenzungsebenen zusammenfallen können, jedoch nicht zwingenderweise zusammenfallen müssen.
-
Über die Definition der Begrenzungsebenen steht ein Instrumentarium für die Auslegung des Lenkgehäuses zur Verfügung, bei dem eine hohe Steifigkeit und Festigkeit des Lenkgehäuses mit minimalem Materialaufwand gewährleistet ist.
-
Als Lenkeinrichtung kommt insbesondere ein Lenksystem mit elektromotorischer Servounterstützung in Betracht. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Anwendung des Lenkgehäuses auf Lenksysteme mit hydraulischer Servounterstützung.
-
Des Weiteren ist es möglich, das Lenkgehäuse in einem aktiven Lenksystem einzusetzen, bei dem ein Zusatzlenkwinkel erzeugbar ist, welcher dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel überlagerbar ist.
-
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Lenkeinrichtung in einem Fahrzeug,
-
2 ein Lenkgehäuse der Lenkeinrichtung in Seitenansicht,
-
3 das Lenkgehäuse in einer um 90° verdrehten Darstellung,
-
4 bis 6 das Lenkgehäuse in verschiedenen perspektivischen Ansichten.
-
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die Lenkeinrichtung 1 umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -welle 3, ein Lenkgehäuse 4 mit einem darin aufgenommenen Lenkgetriebe und ein Lenkgestänge 5, über das eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkspindel 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel δL vor, der im Lenkgetriebe im Lenkgehäuse 4 auf eine Zahnstange des Lenkgestänges 5 übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt.
-
Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments ist ein elektrischer Servomotor 7 vorgesehen, über den ein Servomoment zur Unterstützung in das Lenkgetriebe im Lenkgehäuse 4 eingespeist werden kann. Anstelle eines elektrischen Servomotors kann auch eine hydraulische Unterstützungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine Hydraulikpumpe, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird und ein hydraulisches Lenksystem speist.
-
In den folgenden 2 bis 6 ist das Lenkgehäuse 4 in Einzeldarstellung in verschiedenen Ansichten gezeigt. Das Lenkgehäuse 4 ist aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, der beispielsweise Glas- oder Kohlefasern umfasst, die in einem Hilfsstoff wie zum Beispiel Kunstharz aufgenommen sind. Möglich ist beispielsweise auch das Umspritzen von Faserbündeln mit einem Kunststoff, z. B. einem Thermo- oder Duroplast. Vorteilhaft ist hierbei besonders, dass das Aushärten des Hilfsstoffs sehr schnell erfolgen kann. Damit wird Prozesszeit beim Herstellprozess eingespart Das Lenkgehäuse 4 umfasst ein hohlzylindrisches Gehäuserohr 8 zur Aufnahme eines Gestängeteils des Lenkgestänges 5. Das Gehäuserohr 8 des Lenkgehäuses 4 weist auf der Außenseite mehrere Verstärkungsstreben bzw. -rippen 9a, 9b, 10a, 10b, 13a, 13b, 14a, 14b auf, die einteilig mit dem Gehäuserohr 8 bzw. dem Lenkgehäuse ausgebildet sind und diesem eine erhöhte Steifigkeit verleihen. Die Verstärkungsstreben befinden sich benachbart zum jeweiligen Ende des Gehäuserohrs 8, sie können jedoch zur jeweiligen Stirnseite des Gehäuserohrs 8 einen axialen Abstand aufweisen. Die Verstärkungsstreben besitzen über ihre axiale Länge eine sich ändernde radiale Erstreckung, welche in Richtung zur Stirnseite des Gehäuserohrs zunimmt. Die Außenkante der Verstärkungsstreben kann, wie beispielsweise den Verstärkungsstreben 9a, 10a (2) bzw. 14a, 13b (3) zu entnehmen, geradlinig ausgeführt sein. Möglich ist aber auch ein gekrümmter Verlauf in konvexer oder konkaver Ausführung (Verstärkungsstreben 13a, 14b, dargestellt in 3) oder ein Verlauf mit wechselnden geradlinigen bzw. gekrümmten Abschnitten, so wie dies beispielhaft für die Verstärkungsstreben 9b, 10b in 2 dargestellt ist.
-
Wie den beiden um 90° zueinander verschwenkten Ansichten der 2 und 3 zu entnehmen, befinden sich an jedem Ende des Gehäuserohrs 8 jeweils vier Verstärkungsstreben 9a, 10a, 13a, 14a bzw. 9b, 10b, 13b, 14b, wobei die Verstärkungsstreben an einem Ende des Gehäuserohrs zueinander jeweils um etwa 90° versetzt angeordnet sind. Jeder Verstärkungsstrebe im Bereich eines ersten Endes des Gehäuserohrs 8 ist eine diagonal bzw. über Kreuz gegenüberliegende Verstärkungsstrebe im Bereich des zweiten Endes des Gehäuserohrs zugeordnet. Dadurch ergeben sich Paare von Verstärkungsstreben 9a–9b, 10a–10b, 13a–13b und 14a–14b. Jeweils zwei von in dieser Weise einander zugeordneten Verstärkungsstreben werden von einer Begrenzungsebene 11, 12, 15 bzw. 16 nach außen hin begrenzt. So ist den Verstärkungsstreben 9a und 9b die Begrenzungsebene 11, den Verstärkungsstreben 10a und 10b die Begrenzungsebene 12, den Verstärkungsstreben 13a und 13b die Begrenzungsebene 15 und den Verstärkungsstreben 14a und 14b die Begrenzungsebene 16 zugeordnet. Die Begrenzungsebenen 11 und 12 (2) begrenzen hierbei die Verstärkungsstreben-Paare 9a, 9b, 10a, 10b, von denen die Verstärkungsstreben 9a und 10a bzw. 9b und 10b an jeweils einem Ende des Gehäuserohrs 8 auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuserohrs angeordnet sind.
-
Gleiches gilt für die Begrenzungsebenen 15 und 16, welche auf je einer Seite des Gehäuserohrs 8 einander gegenüberliegende Verstärkungsstreben 13a, 14a bzw. 13b, 14b begrenzen (3).
-
Die beiden Begrenzungsebenen 11 und 12 der gegenüberliegenden Verstärkungsstreben bilden hierbei einen Schnittpunkt, welcher innerhalb der Umrandung des Gehäuserohrs 8 liegt. In entsprechender Weise bilden die. Begrenzungsebenen 15 und 16, welche gegenüber den Begrenzungsebenen 11 und 12 um 90° versetzt sind, einen Schnittpunkt, welcher ebenfalls innerhalb der Umrandung des Gehäuserohrs 8 liegt. Der Begriff „Schnittpunkt” ist in diesem Zusammenhang in der Weise zu verstehen, dass die von sich schneidenden Begrenzungsebenen gebildete Schnittlinie in Querrichtung durch das Gehäuserohr 8 geführt ist und somit innerhalb des Gehäuserohrs 8 ein Abschnitt der Schnittlinie mit einer Reihe von Schnittpunkten existiert.
-
Die Begrenzungsebenen schließen mit der Rohrachse 17 des geradlinig ausgeführten Gehäuserohrs 8 einen Winkel ein, der bei sämtlichen Begrenzungsebenen 11, 12, 15, 16 zumindest annähernd gleich ist und in einem Winkelbereich von maximal 30°, insbesondere bei annähernd 20° liegt. Der Schnittpunkt bzw. die Schnittlinie von je zwei sich schneidenden Begrenzungsebenen 11, 12 bzw. 15, 16 liegt zumindest annähernd auf der Rohrachse 17 bzw. kann gegebenenfalls, wie in 3 dargestellt, geringfügig gegenüber der Rohrachse 17 radial verschoben sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lenkeinrichtung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Lenkgehäuse
- 5
- Lenkgestänge
- 6
- Vorderrad
- 7
- elektrischer Servomotor
- 8
- Gehäuserohr
- 9a, 9b
- Verstärkungsstrebe
- 10a, 10b
- Verstärkungsstrebe
- 11
- Begrenzungsebene
- 12
- Begrenzungsebene
- 13a, 13b
- Verstärkungsstrebe
- 14a, 14b
- Verstärkungsstrebe
- 15
- Begrenzungsebene
- 16
- Begrenzungsebene
- 17
- Rohrachse
