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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindung eines Wellenstücks einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug mit einem Anschlussteil, das mit einer Aufnahmeöffnung versehen ist, die von einer umfangsgeschlossenen Wand des Anschlussteils umfänglich begrenzt ist, wobei ein Verbindungsabschnitt des Wellenstücks in der Aufnahmeöffnung aufgenommen ist und gegen eine Verdrehung gegenüber dem Anschlussteil gesichert ist und wobei mindestens ein vom Anschlussteil abgestütztes Spannteil eine Spannkraft auf den Verbindungsabschnitt des Wellenstücks ausübt und den Verbindungsabschnitt gegen die die Aufnahmeöffnung begrenzende Wand verspannt.
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Solche Verbindungen dienen insbesondere zur Befestigung einer Gelenkgabel eines Kreuzgelenks an einem Endabschnitt eines Wellenstücks der Lenkwelle. Die Lenkwelle weist hierbei zwei oder mehr Wellenstücke auf, die über Kreuzgelenke verbunden sind, deren Gelenkgabeln an den Wellenstücken festgelegt sind. Stattdessen könnte es sich beim Anschlussteil beispielsweise auch um eine Wellenverlängerung oder ein am Wellenstück festgelegtes Ritzel des Lenkgetriebes handeln.
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Verbindungen von Kreuzgelenkgabeln mit Wellenstücken sind in unterschiedlicher Form bekannt. Bei einer üblichen Form der Verbindung weist eine Gabelbasis, in deren Aufnahmeöffnung ein Endabschnitt des Wellenstücks aufgenommen ist, einen Schlitz auf, beidseitig von dem Spannabschnitte der Gabelbasis liegen. Die Spannabschnitte besitzen fluchtende Durchtrittsöffnungen, durch welche sich ein Spannbolzen erstreckt. Mittels des Spannbolzens werden die Spannabschnitte unter Verkleinerung des Schlitzes zusammengezogen, um die Gabelbasis gegen das Wellenstück zu verspannen. Derartige Gabelverbindungen gehen beispielsweise aus der
US 2010/0069163 A1 und
EP 1 064 467 B1 hervor.
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Bei Lenksystemen mit Hilfskraftunterstützung, die in die Lenkwelle eingeleitet wird, muss die Lenkwelle sehr hohe Drehmomente und insbesondere sehr hohe Drehmomentspitzen übertragen können. Hierbei müssen im Übertragungsweg des Drehmoments liegende Gabelverbindungen der vorgenannten Art sehr massiv ausgelegt sein, um die erforderlichen Drehmomente übertragen zu können, ohne dass die Spannabschnitte der Gabelbasis aufgebogen werden.
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Eine Wellen-Gabelverbindung der eingangs genannten Art geht aus der
DE 10 2008 015 738 A1 hervor. Es ist hier ein Spannteil vorgesehen, das in einer in der Gabelbasis ausgebildeten rechtwinkelig zur Achse der Lenkwelle liegenden Bohrung angeordnet ist. Diese Bohrung besitzt einen Überschneidungsbereich mit der das Wellenende aufnehmenden Aufnahmeöffnung der Gabelbasis. Das Spannteil besitzt eine Keilfläche, mit der es an einer Abflachung anliegt, die in die Mantelfläche des Wellenstücks eingebracht ist, und wird mit einer Spannschraube gegen diese Abflachung verspannt. Das Spannteil wirkt somit als Passfeder und die Übertragung des zwischen dem Wellenstück und der Gelenkgabel wirkenden Drehmoments erfolgt über dieses Spannteil. Auf die Wand der das Spannteil aufnehmenden Bohrung wirkt somit ein hoher Lochlaibungsdruck. Damit dieser aufgenommen werden kann, muss die Konstruktion entsprechend massiv ausgebildet sein.
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Bekannt sind weiters Gabel-Wellenverbindungen, bei denen ein Endabschnitt der Lenkwelle in die Aufnahmeöffnung der Gabelbasis eingepresst ist. Hierbei wird durch eine unrunde Form des Endabschnitts der Welle und der Aufnahmeöffnung in der Gabelbasis oder durch eine Verzahnung am Endabschnitt der Welle, die sich beim Einpressen in die die Aufnahmeöffnung umgebende Wand eingräbt, ein Formschluss in Drehrichtung ausgebildet. Die Verzahnung kann auch an der die Aufnahmeöffnung umgebenden Wand angeordnet sein. Derartige Gabelverbindungen gehen beispielsweise aus der
US 5,090,834 A ,
DE 2 651 338 A1 ,
DE 2 333 040 A1 und
WO 2008/049139 A1 hervor. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass die Verbindung zwischen dem Wellenstück und der Gelenkgabel bereits vor der Montage der Lenksäule in das Kraftfahrzeug erfolgen muss, wodurch sich eine erhebliche Erschwerung der Montage der Lenksäule im Kraftfahrzeug ergeben kann. Auch ist diese Wellen-Gabelverbindung nicht mehr nachträglich lösbar, beispielsweise im Zusammenhang mit Wartungsarbeiten.
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Aus der
DE 200 17450 U1 geht eine Lenkradbefestigung, bei welcher ein Endstück der Lenkwelle mit einem lenkradseitigen Nabenteil verbunden wird, hervor. Am Endstück ist ein Mehrkantprofil ausgebildet und das Nabenteil besitzt eine durchgehende, dem Mehrkantprofil entsprechende mehreckige Aufnahmeöffnung. In eine Erweiterung dieser Aufnahmeöffnung ist ein Keil eingesetzt, der von einer Spannschraube betätigt wird. Der Keil wird in eine radiale Nut des Endstücks der Lenkwelle eingeschoben und wirkt dort mit einer entsprechenden Schrägfläche zusammen. An das Mehrkantprofil schließt eine kegelförmige Fläche an, die mit einem entsprechend geneigten Abschnitt des Nabenteils zusammenwirkt. Beim Anziehen der Spannschraube wird das Nabenteil mit der kegelförmigen Fläche der Lenkwelle verspannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Verbindung der eingangs genannten Art zwischen einem Wellenstück einer Lenkwelle und einem Anschlussteil bereitzustellen, die sehr hohe Drehmomente aufnehmen kann, wie sie insbesondere bei hilfskraftunterstützten Lenkungen, deren Hilfskraftunterstützung im oberen Bereich der Lenkwelle eingreift, auftreten. Dabei soll der für das Anschlussteil erforderliche Materialeinsatz gering sein und der erforderliche Bauraum möglichst klein sein.
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Erfindungsgemäß gelingt dies durch eine Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In den weiteren Patentansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.
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Bei einer Verbindung gemäß der Erfindung weist die die Aufnahmeöffnung begrenzende Wand Formschlusselemente auf und die äußere Oberfläche des in der Aufnahmeöffnung aufgenommenen Verbindungsabschnitts des Wellenstücks weist Gegenformschlusselemente auf, die mit den Formschlusselementen der die Aufnahmeöffnung begrenzenden Wand zusammenwirken. Durch die zusammenwirkenden Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente wird ein gegen eine Verdrehung des Verbindungsabschnitts gegenüber dem Anschlussteil wirkender Formschluss zwischen der äußeren Oberfläche des Verbindungsabschnitts und der die Aufnahmeöffnung begrenzenden Wand ausgebildet. Mindestens ein vom Anschlussteil abgestütztes Spannteil, das auf den Verbindungsabschnitt eine Spannkraft ausübt, verspannt mindestens zwei Formschlusselemente der die Aufnahmeöffnung begrenzenden Wand mit mindestens zwei Gegenformschlusselementen der äußeren Oberfläche des Verbindungsabschnitts. Mit Vorteil sind die Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente bereits vor der Montage an dem Verbindungsabschnitt bzw. der Aufnahmeöffnung ausgebildet. Prinzipiell ist es jedoch auch denkbar und möglich, zumindest teilweise die Formschlusselemente und/oder die Gegenformschlusselemente erst bei der Montage, insbesondere durch eine Umformung, auszubilden.
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Die vom mindestens einen Spannteil auf den Verbindungsabschnitt des Wellenstücks ausgeübte Spannkraft steht rechtwinkelig zur Längsmittelachse des Wellenstücks. Mindestens zwei der Formschlusselemente werden von Anlageflächen gebildet, die gegenüber der Richtung der Spannkraft um entgegengesetzte Winkel geneigt sind, die im Bereich von 5° bis 45° liegen. Die mit diesen Formschlusselementen verspannten Gegenformschlusselemente werden von Gegenanlageflächen gebildet, die gegenüber der Spannkraft jeweils um den gleichen Winkel geneigt sind, wie die Anlagefläche, mit der sie jeweils zusammenwirken.
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Das mindestens eine Spannteil ist hierbei mit dem Anschlussteil derart verbunden, dass die Reaktionskraft auf die Spannkraft auf das Anschlussteil übertragen wird. Hierzu ist das mindestens eine Spannteil günstigerweise zumindest teilweise in einer Bohrung des Anschlussteils angeordnet, die rechtwinkelig oder schräg (in einem Winkel der zwischen 90° und 30° liegt) zur Längsmittelachse der Aufnahmeöffnung des Anschlussteils bzw. zur Längsmittelachse des Wellenstücks verläuft. Die Bohrung mündet hierbei in die Aufnahmeöffnung oder besitzt einen Überschneidungsbereich mit dieser.
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Durch die Formschlusselemente, die die Aufnahmeöffnung begrenzende Wand aufweist, besitzt diese eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform. Als Formschlusselemente können beispielsweise Flächen, die im Querschnitt gesehen in Form von in eine Kreisform eingebrachte Sehnen ausgebildet sind, und/oder von mindestens einer Erhöhung und/oder Vertiefung ausgebildete Flächen wirken.
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Die durch Drehmomentübertragung auftretenden Kräfte werden bei der erfindungsgemäßen Verbindung im Wesentlichen über die in Eingriff stehenden Formschlusselemente der die Aufnahmeöffnung begrenzenden Wand und Gegenformschlusselemente des Verbindungsabschnitts übertragen. Die auf das mindestens eine Spannteil bei einer Übertragung eines Drehmoments zusätzlich einwirkende Kraft (zusätzlich zur Vorspannkraft) ist demgegenüber wesentlich geringer als die auf die Formschlusselemente insgesamt einwirkende Kraft.
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Das mindestens eine Spannteil liegt am Verbindungsabschnitt an, auf den es die Spannkraft ausübt. Als Spannteil kann beispielsweise eine in eine Gewindebohrung des Anschlussteils eingeschraubte Schraube eingesetzt werden, die auf den Verbindungsabschnitt einwirkt. Es kann auch ein von einer Schraube bewegtes Spannteil eingesetzt werden. Die Schraube verspannt somit den Verbindungsabschnitt indirekt mit dem Anschlussteil über das zwischengeschaltete Spannteil. Das Spannteil besitzt hierzu eine mit dem Verbindungsabschnitt zusammenwirkende Schrägfläche und ist beispielsweise zumindest abschnittsweise keil- oder konusförmig ausgebildet.
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Auch ein eine Schrägfläche aufweisendes, beispielsweise abschnittsweise keil- oder konusförmiges Spannteil ist denkbar und möglich, das weiters einen bolzenförmigen Abschnitt mit einem Außengewinde aufweist, auf welches eine Mutter aufgeschraubt ist, die sich am Anschlussteil abstützt und durch die das Spannteil mit dem Verbindungsabschnitt verspannt wird.
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Vorteilhafterweise befinden sich einerseits das Spannteil und andererseits die Formschlusselemente der Aufnahmeöffnung des Anschlussteils, welche von der Spannkraft des Spannteils mit den zugehörigen Gegenformschlusselementen des Verbindungsabschnitts des Wellenstücks verspannt werden, auf gegenüberliegenden Seiten einer Ebene, in der die Längsmittelachse des Wellenstücks liegt und die rechtwinkelig zur vom Spannteil ausgeübten Spannkraft steht. Zumindest auf der Seite dieser Ebene, auf der auch das Spannteil liegt, kommt es dann im verspannten Zustand des Verbindungsabschnitts mit dem Anschlussteil zur Ausbildung eines Spalts zwischen der äußeren Oberfläche des Verbindungsabschnitts und der die Aufnahmeöffnung begrenzenden Wand.
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Vorzugsweise sind zumindest in einem auf die Dreh- bzw. Umfangsrichtung des Wellenstücks bezogenen Winkelbereich von 45° beidseitig des Anlagebereichs des mindestens einen Spannelements am Verbindungsabschnitt des Wellenstücks keine zusammenwirkenden, einen in Drehrichtung wirkenden Formschluss ausbildenden Formschluss- und Gegenformschlusselemente vorhanden.
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Es ist bevorzugt, dass alle Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente, die ineinander eingreifen, innerhalb eines Winkelbereiches der Umfangsrichtung des Wellenstücks angeordnet sind, der ausgehend von einer Linie, die die Längsmittelachse des Wellenstücks orthogonal schneidet und im Querschnitt gesehen parallel zur Richtung der Spannkraft, die vom Spannteil auf den Verbindungsabschnitt übertragen wird, ausgerichtet ist, auf der vom Spannteil abgewandten Seite der Längsmittelachse des Wellenstücks gemessen wird (dem Formschlusselemente-Winkelbereich) und sich von 0° bis –90° und von 0° bis +90° erstreckt. Besonders bevorzugt ist ein Formschlusselemente-Winkelbereich von +/–60°.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim Anschlussteil um eine Kreuzgelenkgabel, die Schenkel mit Lageröffnungen und eine Gabelbasis umfasst, von der die Schenkel abstehen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausbildung eines Lenksystems mit Hilfskraftunterstützung;
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2 eine Schrägsicht eines Kreuzgelenks mit ersten und zweiten Gelenkgabeln, die mit einem jeweiligen Wellenstück verbunden sind;
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3 eine Schrägsicht einer der Gelenkgabeln mit dem Gelenkkreuz, ohne ein angeschlossenes Wellenstück und ohne Spannteil, aus einem anderen Blickwinkel;
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4 eine Schrägsicht der Gelenkgabel aus einem weiteren Blickwinkel mit einem Endabschnitt eines mit der Gelenkgabel verbundenen Wellenstücks im zusammengebauten Zustand;
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5 einen Querschnitt durch die verbundenen Teile von 4, wobei der Querschnitt rechtwinkelig zur Längsmittelachse des Wellenstücks und parallel zur Längsachse des Spannteils und durch diese verläuft;
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6 eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsvariante;
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7 eine Verbindung zwischen einer Gelenkgabel und einem Endabschnitt eines Wellenstücks gemäß einer dritten Ausführungsform, in Schrägsicht;
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8 den Endabschnitt des Wellenstücks und das Spannteil, im Eingriffszustand, ohne die Gelenkgabel;
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9 einen Querschnitt rechtwinkelig zur Längsmittelachse des Wellenstücks und parallel zur Längsmittelachse des Spannteils und durch dieses, im geöffneten Zustand der Verbindung;
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10 die Teile von 9 im geschlossenen Zustand der Verbindung;
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11 eine Schrägsicht einer vierten Ausführungsvariante der Erfindung;
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12 eine Schrägsicht einer fünften Ausführungsvariante der Erfindung;
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13 einen Querschnitt analog 5 einer sechsten Ausführungsvariante der Erfindung.
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Die in 1 schematisch dargestellte Lenksäule 1 entspricht in ihrem prinzipiellen Aufbau dem Stand der Technik. Zur Übertragung der Lenkbewegung eines Lenkrades 2 dient eine Lenkwelle, welche zwei oder mehr gerade Wellenstücke 3 umfasst, zwischen denen jeweils ein Kreuzgelenk 4 angeordnet ist. Die Lenkwelle ist mit den Spurstangen 6 über ein Lenkgetriebe 5 verbunden, wobei die Spurstangen 6 durch eine Zahnstange 7 angetrieben werden.
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Die Lenksäule umfasst weiters einen, beispielsweise elektrischen, Hilfsantrieb 8, von dem ein Drehmoment auf die Lenkwelle ausübbar ist, welches über die zwischen dem Hilfsantrieb 8 und dem Lenkgetriebe 5 in der Lenkwelle angeordneten Kreuzgelenke 4 übertragen wird.
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Der Hilfsantrieb 8 kann in herkömmlicher Weise zur Aufbringung einer Lenkhilfskraft und/oder zur Drehzahlüberlagerung vorgesehen sein, wozu entsprechende Getriebe zwischen dem Hilfsantrieb 8 und der Lenkwelle dienen (nicht sichtbar in 1). Je nach Ausbildung und Anwendung kann ein, ebenfalls nicht dargestelltes, Steuergerät vorhanden sein, dem die Betätigung des Lenkrades 2 über eine Sensorik als Signal eingespeist wird. Im Steuergerät, evtl. mit Fahrdynamikrechner, kann daraus, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Sensorsignals des Hilfsantriebes des Lenksystems und/oder der Drehzahlüberlagerungseinrichtung und/oder weiterer, den Fahrzeugzustand beschreibender Signale, das entsprechende Steuersignal, beispielsweise eine Steuerspannung, für den Hilfsantrieb bestimmt und an diesen ausgegeben werden.
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Die Kreuzgelenke 4 umfassen jeweils erste und zweite Gelenkgabeln, die jeweils ein mit dem jeweiligen Wellenstück 3 verbundenes Anschlussteil 9 bilden. Für zumindest eines der Wellenstücke 3 ist die Verbindung mit dem zugehörigen Anschlussteil 9 in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet. Vorzugsweise sind bei zumindest allen der Kreuzgelenke 4, über die das vom Hilfsantrieb 8 ausgeübte Drehmoment übertragen wird und die, beispielsweise für Montagezwecke, auftrennbar dargestellt sein sollen, die Verbindungen der Wellenstücke 3 mit den Anschlussteilen 9 in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet.
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Eine jeweilige, ein Anschlussteil 9 bildende Gelenkgabel ist in Seitenansicht U-förmig ausgebildet und weist zwei Schenkel 10, 11 auf, welche von einer Gabelbasis (= Gabelkopf) 12 abstehen. Die Schenkel 10, 11 liegen in voneinander beabstandeten, vorzugsweise zumindest annähernd parallelen Ebenen (der Winkel, den die Ebenen miteinander einschließen beträgt weniger als 5°).
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Zur Verbindung der Gelenkgabeln eines Kreuzgelenks dient ein Gelenkkreuz 13, welches um 90° zueinander versetzte Gelenkzapfen aufweist. Von diesen sind jeweils die beiden um 180° zueinander versetzten Gelenkzapfen, deren Längsachsen zusammenfallen, gegenüber einer der beiden Gelenkgabeln drehbar gelagert. Hierzu ragen die Gelenkzapfen jeweils in eine Lageröffnung 14 des jeweiligen Schenkels 10, 11 und sind in dieser drehbar gelagert.
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Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Verbindung zwischen einem Wellenstück 3 und einem Anschlussteil 9 geht aus den 2 bis 5 hervor.
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Ein Abschnitt des Anschlussteils 9, im gezeigten Anwendungsfall die Gabelbasis 12, weist eine Aufnahmeöffnung 15 auf, in der ein Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3, der hier einen Endabschnitt des Wellenstücks 3 bildet, aufgenommen ist. Die Aufnahmeöffnung 15 ist im Ausführungsbeispiel als Durchgangsöffnung durch das Anschlussteil 9, hier die Gabelbasis 12 ausgebildet.
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Die Längsmittelachse 16 des gerade ausgebildeten Wellenstücks 3 fällt mit der durch die Aufnahmeöffnung 15 verlaufende Längsmittelachse des Anschlussteils 9 zusammen.
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Die Aufnahmeöffnung 15 des Anschlussteils 9 wird um ihren Umfang durchgehend von einer umfangsgeschlossenen Wand 17 des Anschlussteils 9 begrenzt, d. h. das Anschlussteil 9 weist einen die Aufnahmeöffnung 15 geschlossen ringförmig (also ohne Schlitz) umgebenden Abschnitt.
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In der die Aufnahmeöffnung 15 umgebenden Wand 17 sind Formschlusselemente 18 ausgebildet. Diese wirken mit Gegenformschlusselementen 19 zusammen, die an der äußeren Oberfläche des Wellenstücks 3 zumindest im Bereich seines in der Aufnahmeöffnung 15 aufgenommenen Verbindungsabschnitts 29 ausgebildet sind.
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Ein am Verbindungsabschnitt 29 anliegendes Spannteil 20 übt auf den Verbindungsabschnitt 29 eine Spannkraft 21 aus und verspannt durch diese den Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 gegen die die Aufnahmeöffnung 15 begrenzende Wand 17, wobei die Gegenformschlusselemente 19 des Verbindungsabschnitts 29 des Wellenstücks 3 mit den Formschlusselementen 18 der Wand 17 verspannt werden.
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Die miteinander verspannten Formschluss- und Gegenformschlusselemente 18, 19 bilden einen in Drehrichtung wirkenden Formschluss zwischen dem Wellenstück 3 und dem Anschlussteil 9 aus, d. h. ein gegen eine Verdrehung des Verbindungsabschnitts 29 des Wellenstücks 3 gegenüber dem Anschlussteil 9 um die Längsmittelachse 16 wirkender Formschluss wird ausgebildet. Ein zwischen dem Wellenstück 3 und dem Anschlussteil 9 wirkendes Drehmoment wird hierbei hauptsächlich, vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich über die zusammenwirkenden Formschluss- und Gegenformschlusselemente 18, 19 übertragen. Das Spannteil 20 dient zumindest hauptsächlich, vorzugsweise im Wesentlichen, nur dazu, um die Formschluss- und Gegenformschlusselemente 18, 19 miteinander zu verspannen.
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Bezogen auf eine Ebene 22, die rechtwinkelig zur Spannkraft 21 steht und in der die Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3 liegt, liegen das Spannteil 20 und die vom Spannteil 20 miteinander verspannten Formschluss- und Gegenformschlusselemente 18, 19 auf gegenüberliegenden Seiten dieser Ebene 22. Mit anderen Worten sind bevorzugt alle Formschlusselemente 18 und die korrespondierenden Gegenformschlusselemente 19 innerhalb eines Winkelbereiches +/–α der Umfangsrichtung des Wellenstücks, der ausgehend von der Linie 30, die die Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3 orthogonal schneidet und die im Querschnitt gesehen parallel zur Richtung der Spannkraft 21, die vom Spannteil 20 auf den Verbindungsabschnitt 29 übertragen wird, ausgerichtet ist, auf der vom Spannteil 20 abgewandten Seite gemessen wird (dem Formschlusselemente-Winkelbereich), von α <= –90° bis +90° angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Formschlusselemente-Winkelbereich von α <= +/–60°.
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Die vom Spannteil 20 ausgeübte Spannkraft 21 steht rechtwinkelig zur Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3.
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Dadurch, dass beim Verspannen des Wellenstücks 3 mit dem Anschlussteil 9 die Gegenformschlusselemente 19 des Wellenstücks 3 vom Spannteil 20 in die Formschlusselemente 18 der Wand 17 der Aufnahmeöffnung 15 hineingedrängt werden, bildet sich zumindest auf der Seite der Ebene 22, auf der das Spannteil 20 liegt, zwischen dem Wellenstück 3 und der Wand 17 der Durchgangsöffnung ein Spalt 23 (dieser Spalt ist in 5 nicht sichtbar, aber bei den in den 6 und 10 dargestellten Ausführungsbeispielen zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt).
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Bei der Ausführungsform gemäß den 2 bis 5 weist das Spannteil 20 einen konischen Abschnitt auf, der in einer konischen Bohrung 24 im Anschlussteil 9 aufgenommen ist. Die Längsmittelachse 25 der Bohrung 24 verläuft vorzugsweise rechtwinkelig zur Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3, wobei die Bohrung 24 seitlich gegenüber der Längsmittelachse 16 versetzt ist. Die Aufnahmeöffnung 15 und die Bohrung 24 weisen hierbei aber einen Überschneidungsbereich auf, in den das eingesetzte Spannteil 20 ragt, wobei sich das Spannteil 20 an der äußeren Oberfläche des Wellenstücks 3 abstützt. Im Bereich der Anlage des Spannteils 20 ist der Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 vorzugsweise mit einer Vertiefung versehen, die im Querschnitt gesehen eine Abflachung des Umfangs ausbildet (vgl. 5). Durch die Ränder dieser Vertiefung, die die Vertiefung bezogen auf die achsiale Richtung des Wellenstücks 3 beidseitig begrenzen, wird auch eine Sicherung gegen eine achsiale Verschiebung des Anschlussteils 9 gegenüber dem Wellenstück 3 ausgebildet, wobei eine achsiale Verschiebung durch die Anlage des Spannteils 20 am jeweiligen Rand verhindert bzw. begrenzt wird. Diese Sicherung besteht zusätzlich zum Reibschluss durch die Verspannung des Verbindungsabschnitts 29 mit dem Anschlussteil 9.
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Die Verspannung des Spannteils 20 erfolgt in dieser Ausführungsform durch eine Mutter 26, die auf ein Außengewinde eines bolzenförmigen Abschnitts aufgeschraubt ist, der an die schmalere Seite des sich verjüngenden Abschnitts des Spannteils 20 anschließt und aus der Bohrung 24 heraussteht. Die Mutter 26 stützt sich am Anschlussteil 9 ab und zieht das Spannteil 20 gegen das Wellenstück 3.
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Das Spannteil 20 könnte beispielsweise auch keilförmig ausgebildet sein oder nur auf einer Seite eine Schrägfläche aufweisen.
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Die Gegenformschlusselemente 19 des Wellenstücks 3 werden beispielsweise wie dargestellt von den Seitenflächen mehrerer in Längsrichtung des Wellenstücks 3 verlaufender, zahnförmiger Erhebungen gebildet. Die Wand 17 weist zur Ausbildung von Formschlusselementen 18 in Längsrichtung des Wellenstücks 3 verlaufende, sich im Querschnitt durch das Wellenstück 3 gesehen, vorzugsweise konisch, verjüngende Vertiefungen auf. Im Ausführungsbeispiel sind vier solche Erhebungen und Vertiefungen vorgesehen, von denen jeweils zwei auf einer Seite einer gedachten Ebene liegen, die von der Spannkraft 21 und der Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3 aufgespannt wird.
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In anderer Weise ausgebildete Formschluss- und Gegenformschlusselemente 18, 19 könnten ebenfalls oder zusätzlich vorgesehen sein. So könnten beispielsweise in Längsrichtung des Wellenstücks 3 verlaufende Vertiefungen im Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 vorgesehen sein, die mit in Längsrichtung des Wellenstücks 3 verlaufenden Erhöhungen der Wand 17 der Aufnahmeöffnung 15 zusammenwirken, und/oder Abflachungen oder andere Konturen, die eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform ausbilden, könnten vorgesehen sein.
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Die Formschlusselemente der Wand 17 der Aufnahmeöffnung 15 können in einfacher Weise durch eine Räumoperation ausgebildet werden. Auch eine Einformung während der Umformoperation zur Herstellung der Gabel ist möglich. Die Gegenformschlusselemente 19 des Verbindungsabschnitts 29 des Wellenstücks 3 können beispielsweise durch eine Walz- oder Rändeloperation gebildet werden.
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Der Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 kann auch weitere, beispielsweise zahnförmige, Erhebungen und/oder, beispielsweise zahnförmige, Vertiefungen, Abflachungen oder andere Ausgestaltungen seiner äußeren Oberfläche aufweisen, durch die eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform des Verbindungsabschnitts 29 ausgebildet wird, wobei diese weiteren Elemente (durch die prinzipiell ein in Drehrichtung wirkender Formschluss ausgebildet werden könnte) nicht in Eingriff mit den vorgeformten Formschlusselementen in der Wand der Aufnahmeöffnung stehen. 6 zeigt eine solche modifizierte Ausbildungsform, bei der der Verbindungsabschnitt 29 umlaufend eine Verzahnung aufweist (zwar ist in der schematisierten Darstellung von 6 zwischen dem Spannteil 20' und der das Spannteil 20' aufnehmenden Bohrung 24 sowie zwischen dem Wellenstück 3 und dem Spannteil 20' ein Abstand dargestellt, tatsächlich liegen diese Teile aber aneinander an). Eine umlaufende Verzahnung des Verbindungsabschnitts 29 des Wellenstücks 3 kann beispielsweise durch Rändeln ausgebildet werden. Die dem Spannteil 20' gegenüberliegenden Zähne des Wellenstücks 3, die Gegenformschlusselemente 19 bilden, gelangen mit den dort angeordneten Formschlusselementen 18 des Anschlussteils 9 in Eingriff. Die übrigen Zähne gelangen nicht oder zumindest im Wesentlichen nicht, in formschlüssigen Eingriff mit der Wand 17 des Anschlussteils 9. Die nicht mit den Formschlusselementen 18 in Eingriff gelangenden Zähne werden hierbei beim Verspannen durch das Spannteil 20' mehr oder weniger abgeflacht.
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Es ist aber auch denkbar und möglich, dass die Spitzen zumindest der in der Nähe der vorgeformten Formschlusselemente 18 liegenden Zähne sich mehr oder weniger in die Wand 17 eingraben, wodurch beim Verspannen weitere Formschlusselemente ausgebildet werden, die mit Gegenformschlusselementen des Wellenstücks in Eingriff stehen und einen in Drehrichtung wirkenden Formschluss ausbilden. Bevorzugt ist es aber, dass zumindest in einem Winkelbereich von 45° (bezogen auf die Dreh- bzw. Umfangsrichtung des Wellenstücks 3) beidseitig anschließend an den Anlagebereich des Spannteils 20' am Wellenstück 3 keine im formschlüssigen Eingriff stehenden Formschluss- und Gegenformschlusselemente vorhanden sind. Bevorzugt sind alle Formschlusselemente 18 und die korrespondierenden Gegenformschlusselemente 19 innerhalb eines Winkelbereiches +/–α der Umfangsrichtung des Wellenstücks, der ausgehend von der Linie 30, die die Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3 orthogonal schneidet und die im Querschnitt gesehen parallel zur Richtung der Spannkraft 21, die vom Spannteil 20' auf den Verbindungsabschnitt 29 übertragen wird, ausgerichtet ist, auf der vom Spannteil 20' abgewandten Seite gemessen wird (dem Formschlusselemente-Winkelbereich), von α <= –90° bis +90° angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Formschlusselemente-Winkelbereich von α <= +/–60°.
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Im Übrigen kann diese Ausführungsvariante im Wesentlichen wie die zuvor beschriebene Ausführungsvariante ausgebildet sein. Obwohl dies in 6 nicht dargestellt ist, kann der Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 in dem Bereich, in welchem das Spannteil 20 an ihn angedrückt ist, wiederum mit einer Vertiefung versehen sein.
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Eine weitere Ausbildungsform der Erfindung ist in den 7 bis 10 dargestellt. Das Spannteil 20'' wird hier von einer Schraube gebildet, die in ein Innengewinde einer in die Aufnahmeöffnung 15' mündenden Bohrung 24' eingeschraubt ist und die im verspannten Zustand mit ihrem Ende stirnseitig am Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 anliegt. Der Verbindungsabschnitt 29 weist hierbei vorzugsweise eine Vertiefung 27 auf, in die das Ende des Spannteils 20'' ragt. Es wird dadurch wiederum eine zusätzliche achsiale Sicherung des Anschlussteils 9 gegenüber dem Wellenstück 3 ausgebildet.
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Als Formschlusselemente 18' besitzt die Wand 17 der Aufnahmeöffnung 15 in entgegengesetzte Richtungen gegenüber der Spannkraft 21 geneigte Anlageflächen. Der Verbindungsabschnitt 29 des Wellenstücks 3 besitzt als Gegenformschlusselemente 19' korrespondierende Gegenanlageflächen. Diese werden von Abflachungen des zylindrischen Wellenstücks 3 gebildet. Die Anlageflächen und Gegenanlageflächen stellen im Querschnitt gesehen Sehnen im kreisförmigen Verlauf der Wand 17 bzw. der äußeren Oberfläche des Verbindungsabschnitts 29 dar. Die Anlageflächen und Gegenanlageflächen sind gegenüber der Spannkraft 21 jeweils um einen Winkel geneigt, der im Bereich von 5° bis 45° liegt, im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt dieser Winkel etwa im Bereich von 20°.
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Solche in entgegengesetzte Richtungen im genannten Winkelbereich gegenüber der Spannkraft geneigte Anlageflächen und Gegenanlageflächen, die Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente bilden, sind auch bei den zuvor anhand der 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispielen vorhanden.
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9 zeigt den geöffneten Zustand der Verbindung, 10 den verspannten Zustand. Das Spannteil 20'' drängt die Gegenformschlusselemente 19' des Wellenstücks 3 in die Formschlusselemente 18' der Wand 17, die von den zueinander geneigten Anlageflächen gebildet werden, an die die keilförmig zueinander stehenden Gegenanlageflächen des Wellenstücks 3 angedrückt werden.
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Bei dem in den 7 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiel könnten auch die beim Ausführungsbeispiel von 2 bis 5 oder die beim Ausführungsbeispiel von 6 beschriebenen Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente eingesetzt werden. Die im Ausführungsbeispiel der 7 bis 10 dargestellten Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente könnten auch beim in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden.
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Beim Ausführungsbeispiel der 7 bis 10 ist die Bohrung 24' in eine Seite der Gabelbasis 12 eingebracht, von der einer der Schenkel 10, 11 ausgeht. 11 zeigt demgegenüber eine Modifikation, bei der die Bohrung in eine Seite der Gabelbasis eingebracht ist, die zwischen den Verbindungsbereichen mit den Schenkeln 10, 11 liegt.
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Auch in dieser Ausführungsform sind bevorzugt alle Formschlusselemente 18' und die korrespondierenden Gegenformschlusselemente 19' innerhalb eines Winkelbereiches +/–α der Umfangsrichtung des Wellenstücks, der ausgehend von der Linie 30, die die Längsmittelachse 16 des Wellenstücks 3 orthogonal schneidet und die im Querschnitt gesehen parallel zur Richtung der Spannkraft 21, die vom Spannteil 20'' auf den Verbindungsabschnitt 29 übertragen wird, ausgerichtet ist, auf der vom Spannteil 20'' abgewandten Seite gemessen wird (dem Formschlusselemente-Winkelbereich), von α <= –90° bis +90° angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Formschlusselemente-Winkelbereich von α <= +/–60°.
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12 zeigt eine Modifikation gegenüber der Ausführungsform gemäß den 7 bis 10, bei der die das Spannteil 20''' als Imbusschraube ausgebildet ist.
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13 zeigt ein gegenüber der Ausbildungsform der 2 bis 5 modifiziertes Spannteil 20''''. Es ist hier eine Spannschraube 28 vorgesehen, die das Spannteil 20'''' gegen das Wellenstück 3 verspannt. Die Spannschraube 28 ist in eine Gewindebohrung des Spannteils 20'''' eingeschraubt und stützt sich am Anschlussteil 9 ab. Das Spannteil 20'''' besitzt zur Verspannung mit dem Wellenstück 3 wiederum zumindest eine Schrägfläche und ist beispielsweise konisch oder keilförmig ausgebildet.
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Beim Verspannen des Verbindungsabschnitts 29 mit dem Anschlussteil 9 mittels des mindestens einen Spannteils können durchaus plastische Verformungen, insbesondere der Gegenfarmschlusselemente und/oder der Formschlusselemente, auftreten, wodurch ein spielfreier Formschluss erreicht werden kann. Dabei können elastische Restspannungen vorteilhafterweise den Formschluss auch bei hohen Wechselbelastungen dauerhaft sicherstellen.
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Günstigerweise kann vorgesehen sein, dass die Formschlusselemente und Gegenformschlusselemente auch bei geöffnetem oder entferntem Spannteil nicht ganz außer Eingriff gelangen können (so lange der Eingriff nicht durch eine achsiale Verschiebung des Wellenstücks gegenüber dem Anschlussteil aufgehoben wird).
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Auch andere Anschlussteile als Gelenkgabeln können in der beschriebenen Weise mit einem Wellenstück der Lenkwelle verbunden werden, beispielsweise ein Lenkritzel.
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Im geöffneten Zustand der erfindungsgemäßen Verbindung kann der Verbindungsabschnitt des Wellenstücks in die Aufnahmeöffnung des Anschlussteils achsial eingeführt bzw. aus dieser herausgezogen werden. Der Verbindungsabschnitt des Wellenstücks 3 ist nicht in die Aufnahmeöffnung des Anschlussteils eingepresst. Im geschlossenen Zustand ist der Verbindungsabschnitt des Wellenstücks durch die Vorspannung des Spannteils, durch welche die Spannkraft auf den Verbindungsabschnitt des Wellenstücks ausgeübt wird, mit dem Anschlussteil verspannt, wobei der Verbindungsabschnitt in den Formschluss mit dem Anschlussteil hineingedrückt wird.
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Eine erfindungsgemäße Verbindung kann vorteilhafterweise wiederholt geschlossen und zerstörungsfrei wieder geöffnet werden, insbesondere mittels eines Drehwerkzeugs.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksäule
- 2
- Lenkrad
- 3
- Wellenstück
- 4
- Kreuzgelenk
- 5
- Lenkgetriebe
- 6
- Spurstange
- 7
- Zahnstange
- 8
- Hilfsantrieb
- 9
- Anschlussteil
- 10
- Schenkel
- 11
- Schenkel
- 12
- Gabelbasis
- 13
- Gelenkkreuz
- 14
- Lageröffnung
- 15, 15'
- Aufnahmeöffnung
- 16
- Längsmittelachse
- 17
- Wand
- 18, 18'
- Formschlusselement
- 19, 19'
- Gegenformschlusselement
- 20, 20', 20'', 20''', 20''''
- Spannteil
- 21
- Spannkraft
- 22
- Ebene
- 23
- Spalt
- 24, 24'
- Bohrung
- 25
- Längsmittelachse
- 26
- Mutter
- 27
- Vertiefung
- 28
- Spannschraube
- 29
- Verbindungsabschnitt
- 30
- Linie
