DE102011083807A1

DE102011083807A1 - Lenkungslager

Info

Publication number: DE102011083807A1
Application number: DE102011083807A
Authority: DE
Inventors: Herbert Erhardt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013045179A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkungslager (1) für Spiele ausgleichende Lagerungen einer Welle (3) in einem Gehäuse (6) mit wenigstens einer Reihe (16) Rollen (17) und einer die Reihe (16) außen umgebenden Lagerhülse (23) und wenigstens einem Vorspannmittel (20) zum Ausgleichen von Toleranzen.

Description

Gebiet der Erfindung
Lenkungslager für Spiele ausgleichende Lagerungen von Wellen in Gehäusen mit wenigstens einer Reihe Rollen und einer die Reihe außen umgebenden Lagerhülse und wenigstens einem Vorspannmittel zum Ausgleichen von Toleranzen. Die Erfindung betrifft auch eine Lenksäule oder ein Lenkgetriebe einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens einem Lenkungslager für Spiele ausgleichende Lagerungen.
Hintergrund der Erfindung
Rollenlager werden in Lenkungen beispielsweise zur Lagerung der Lenkwellen (Lenkspindel) und von Wellen in Lenkgetrieben vorgesehen. Aufgrund des Linienkontaktes der Wälzkörper mit den Laufbahnen weisen die Rollenlager relativ hohe Tragzahlen auf. Generell können die Rollenlager ohne den klassischen Lagerinnenring eingesetzt werden, so dass der Bedarf an radialem Bauraum gering ist, insbesondere dann, wenn die Außenlaufbahn an einer dünnwandigen Nadelhülse ausgebildet ist.
In Lenksäulen von Kraftfahrzeugen kann zur Lagerung der Lenkspindel im Lenkrohr eine obere vorzugsweise eine untere Lagerstelle durch ein spielfrei vorgespanntes Lenkungslager gebildet sein. Das Lenkungslager weist Rollen bzw. Nadeln, eine Lagerhülse und ein als Toleranzring bezeichnetes Vorspannelement auf. Die Innenlaufbahn für die Nadeln ist durch die Oberfläche der Lenkspindel gebildet und die Außenlaufbahn an der Lagerhülse. Die Lagerhülse ist am Umfang einmal schräg zur Lagerachse verlaufend geschlitzt und sitzt in dem Toleranzring. Der Lagersitz für den Toleranzring ist in einem Rohr der Lenksäule ausgebildet. Mittels der Toleranzringe können durch kostensparende Herstellung der Lenkspindeln und Lenkrohre verursachte große Form- und Lagetoleranzen an den Lagersitzen ausgeglichen werden. Die Toleranzringe sind zumeist aus elastischem Material gebildet und weisen gegenüber dem Lagersitz im Durchmesser ein Übermaß auf, welches mindestens der größtmöglichen Summentoleranz des Systems Lenkspindel-Rohr entspricht. Beim Einpressen ins Lenkrohr federn die Toleranzringe um dieses Übermaß ein und werden elastisch vorgespannt. Die Vorspannung wirkt radial gegen den Lagersitz im Rohr und auf die Lagerhülse, die durch den Schlitz am Umfang nachgiebig ist, so dass die Wälzkörper spielfrei gegen die Innenlaufbahn an der Lenkspindel vorgespannt werden.
Lenkungslager zur Lagerung von Lenkspindeln im Lenkrohr weisen außer den ausgleichenden Eigenschaften auch hervorragenden Dämpfungseigenschaften auf, durch die Lenkspindel und Lenkrohr voneinander entkoppelt sind und so die Übertragung von Körperschall und Schwingungen ins Fahrzeuginnere vermieden wird. Darüber hinaus sind die Herstellkosten für derartige Lager und deren Lagersitze gering. Nachteilig hingegen kann sich das elastisch nachgiebige Verhalten der Toleranzringe auf die Steifigkeit der Lenkung auswirken. Darüber hinaus ist aufgrund des nachgiebigen Verhaltens der Toleranzringe der Sitz eines derartigen Lenkungslagers im Lenkrohr den hohen Ansprüchen an die Rückhaltefähigkeit bei Crash nicht gewachsen, so dass die Lenkungslager des zuvor beschriebenen Typs trotz ihrer Vorteile zunehmend für Lenkungen moderner Kraftfahrzeuge an Bedeutung verloren haben.
Rollen- bzw. Nadellager werden aufgrund der geringen Bauhöhe und hoher Tragfähigkeit in Lenkgetrieben zur Lagerung der Ritzelwellen und der Eingangswellen eingesetzt. Durch die Anordnung und die Bauart ergeben sich radiale Spiele in den Lagerstellen und Fluchtungsfehler zwischen Ritzelwelle und Eingangswelle bzw. zwischen deren Lagersitzen. Fluchtungsfehler führen zu Verspannungen der Wellen gegeneinander oder in den Lagersitzen. Die Spiele verursachen im Fahrbetrieb störende Geräusche. Außerdem können die Spiele die Funktion der Sensorik nachteilig beeinflussen. Verspannungen führen zu Ungenauigkeiten der Sensorik und zu Knackgeräuschen.
In DE 10 2005 045 522 A1 zeigt ein Lenkgetriebe, in dem die mittels einer Zahnstange antreibbare Ritzelwelle außenseitig mit einem Kugellager und zur Eingangswelle hin mit einem Nadellager abgestützt ist. Die Ritzelwelle ist mittels eines Dehn-Drehstabes mit der Eingangswelle verbunden. Die Eingangswelle ist ritzelwellenseitig mit einem Nadellager und außenseitig mit einem kombinierten Nadel-Kugellager gelagert. Das Rollenlager des kombinierten Lagers weist eine Reihe umfangsseitig zueinander benachbarter Rollen auf, deren Innenlaufbahn durch die Oberfläche der Eingangswelle gebildet und deren Außenlaufbahn an einer Lagerhülse ausgebildet ist. Die Lagerhülse sitzt im Gehäuse des Lenkgetriebes.
Das Kugellager des kombinierten Lagers ist durch eine unrunde und elastische Hülse und eine Reihe umfangsseitig aufeinander folgender Kugeln gebildet. Die Hülse ist das Vorspannmittel und ist in der Lagerhülse aufgenommen. Die Kugeln sitzen zwischen der Oberfläche der Eingangswelle und der Hülse. Am Umfang der Welle verteilt sind durch die Unrundheit der Hülse bedingte Engstellen zwischen der Hülse und der Welle ausgebildet. Über das Kugellager ist die Lagerstelle dadurch spielfrei gehalten, dass im Betrieb ein Teil der Kugeln die Engstellen zwischen der Hülse und der Oberfläche der Welle passiert und dort mittels der Hülse spielfrei gegen die Welle vorgespannt wird.
Derartige kombinierte Wälzlagerungen weisen relativ viel Komponenten auf. Verglichen mit Standard-Rollenlagern sind diese Lagerungen deshalb in ihrer Herstellung teurer und beanspruchen mehr axialen Bauraum.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Lenkungslager zu schaffen, mit dem die zuvor beschriebenen Probleme beseitigt werden.
Die Aufgabe ist nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß Erfindung ist das Vorspannmittel radial zwischen der Lagerhülse und einer die Lagerhülse mit Abstand umfangsseitig umgebenden Buchse federelastisch eingespannt. Das Vorspannmittel ist federelastisch ausgeführt und beispielsweise aus Stahl oder Kunststoff. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Vorspannmittel ein Ring aus wenigstens einem gummielastischen Werkstoff ist, beispielsweise aus einem Elastomer mit einer Härte von 70 Shore A für einen Temperatureinsatzbereich bis 120°C. Der Ring kann durch eine vollständig mit Material gefüllte Wand gebildet sein oder alternativ Kammern, Durchgangslöcher oder Rippen aufweisen.
Die Buchse kann einen der Umgebungskonstruktion angepassten beliebigen Querschnitt aufweisen oder ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet. Als Werkstoff für die Buchse ist vorzugsweise Stahl oder Kunststoff alternativ Leichtmetall vorgesehen
Das Vorspannmittel ist in die Buchse eingepresst, oder form- bzw. stoffschlüssig (beispielsweise durch Vulkanisieren oder unter der Verwendung von Klebstoffen) mit dieser verbunden. Die Buchse weist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung an einer Seite oder an beiden Seiten wenigstens einen Anschlag auf, der von einem zylindrischen Abschnitt der Buchse aus radial in Richtung einer Rotationsachse des Lenkungslagers gerichtet ist. Die Rotationsachse ist konzentrisch in dem Lenkungslager axial ausgerichtet. Der Anschlag erstreckt sich radial soweit, dass dem Anschlag axial zumindest eine Stirnseite einer der Rollen gegenüberliegt. Durch eine derartige Anordnung kann das Vorspannmittel formschlüssig in der Buchse gehalten werden, da dieses durch den Anschlag axial hintergriffen ist. Darüber hinaus kann der Anschlag als Anschlag für Dichtungen dienen, mit denen das Lenkungslager gegenüber einer Umgebungskonstruktion abgedichtet ist. Die Anschläge sind vorzugsweise radiale Borde, die soweit radial nach innen gezogen sind, dass deren Rand die Rollen axial hintergreift. Die Anordnung Vorspannmittel, Lagerhülse, Rollenkäfig und Rollen ist auf diese Weise sicher und fest in der Buchse gehalten.
Die Lagerhülse ist vorzugsweise ein kalt geformtes Bauteil aus Blech mit oder ohne radial nach innen oder außen gerichteten Vorsprüngen oder Borden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Lagerhülse umfangsseitig einmal durch einen Schlitz unterbrochen ist, so dass die die Rollen mittels elastischer Vorspannung des Vorspannmittels über die Lagerhülse gegen die Oberfläche einer Welle oder einen auf der Welle sitzenden Innenring des Lenkungslagers gepresst werden können. Die Lagerhülse ist demnach durch den Schlitz umfangsgerichtet nachgiebig.
Das Lenkungslager ist für Spiele ausgleichende Lagerungen beliebig ausgeführter Wellen von Fahrzeuglenkungen an beliebigen Lagerstellen in beliebig ausgebildeten Gehäusen vorgesehen.
Wellen sind beispielsweise Lenkspindeln des oberen Teils einer Lenksäule, des unteren Teils der Lenksäule oder Ritzel- bzw. Eingangswellen in Lenkgetrieben.
Gehäuse sind einfache beliebig hergestellte Rohre aus Blech oder Gehäuse aus Stahl, Guss bzw. Leichtmetall.
Eine Reihe Rollen sieht umfangsseitig verteilte und aufeinander folgende Rollen gleicher oder unterschiedlicher Abmessungen vor. Wahlweise sind Lenkungslager mit zwei oder mehr Reihen vorgesehen. Denkbar ist auch, dass das Lenkungslager außer Rollen auch Kugeln als Wälzkörper aufweist.
Mit Rollen sind im wesentlichen zylindrische, ballige oder tonnenförmig ausgeführte Wälzkörper mit einer Mantelfläche und zwei axial voneinander gewandten Stirnflächen bezeichnet, die als Rollen ein Verhältnis von Länge zum Durchmesser ≤ 3 und als Nadeln (Nadelrollen) ein Verhältnis von mindestens 3 aufweisen. Stirnflächen können auch ballige oder zugespitzte Formen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Lager ist einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar, insbesondere dann, wenn die Buchse und/oder die Lagerhülse aus dünnem Blech sind.
Durch die Buchse ist ein fester Sitz des Lenkungslagers, beispielsweise ein Presssitz realisierbar. Der obere Teil von Lenksäulen in modernen Kraftfahrzeugen weist häufig anstelle eines Lenkrohrs ein Gehäuse aus Leichtmetall auf, so dass die Herstellung eines für den Presssitz genauen Lagersitzes im Gehäuse kein Problem ist.
Das Lenkungslager weist auf Grund des radial zwischen der Lagerhülse und der Buchse angeordneten elastischen Vorspannmittels hervorragende dämpfende Wirkung gegen Körperschall auf, durch die die Lenkspindel und das Gehäuse oder die Wellen und das Gehäuse des Lenkgetriebes voneinander entkoppelt sind.
Darüber hinaus kann die Buchse als Dichtungssitz oder als Dichtungsträger ausgebildet sein. Mit der Dichtung ist entweder das Lenkungslager gegen Verschmutzung geschützt und/oder das Fahrzeuginnere zusätzlich akustisch gegen Luftschall abgedichtet.
Weiterhin kann das Vorspannmittel einteilig integral mit einer Dichtung versehen sein, die entweder als Spaltdichtung oder schleifende Dichtung zur Welle bzw. zum Innenring ausgelegt ist.
Darüber hinaus können mittels des elastisch reagierenden Vorspannmittels große Durchmessertoleranzen der Wellen in Lenksäulen und Lenkgetrieben ausgeglichen werden. Der Achsversatz beispielsweise zwischen der Ritzelwelle und der Eingangswelle im Lenkgetriebe wird ohne Verspannungen elastisch kompensiert.
Das Lager sitzt aufgrund des Presssitzes fest im Gehäuse oder ist alternativ mit Sicherungsmitteln axial gesichert. Die radialen Borde halten die Bauteile des Lenkungslagers auch bei Crash sicher aneinander und die Lenkspindel zurück, wenn diese sich beim Crash von den anderen Lagerstellen lösen sollte, so dass sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Lenkungslagers auch wieder in Lenksäulen von modernen Fahrzeugen anbietet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht dementsprechend eine Lenksäule einer Lenkung eines Kraftfahrzeuges vor, in der eine Lenkwelle und oder eine Welle des Lenkgetriebes und beliebige andere Wellen mittels wenigstens eines Lenkungslagers nach Erfindung gelagert ist.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Lenkungslagers 1 gemäß Erfindung in einer Gesamtansicht.
2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Rotationsachse 2 des Lenkungslagers 1.
3 zeigt einen Querschnitt des Lenkungslagers 1 entlang der Linie II-II nach 2.
Das Lenkungslager 1 ist für Spiele ausgleichende Lagerungen von Wellen 3 in Form von Lenkspindeln 4 nach 8 oder in Form von Eingangswellen 5 nach 9 in Gehäusen 6, welche nach 8 als Lenkrohre 7 oder nach 9 als Gehäuse 8 von Lenkgetrieben 9 ausgeführt sind, vorgesehen.
7 zeigt eine Lenkung 11 eines Fahrzeuges 12 mit einer Lenksäule 10, einem Lenkrad 13 und einem Lenkgetriebe 9. Die Lenksäule 10 bildet den Verbindungsstrang zwischen dem Lenkrad 13 und dem Lenkgetriebe 9 und ist aus einem oberen Abschnitt 14 und einem gelenkig mit diesem verbundenen unteren Abschnitt 15 gebildet.
8 zeigt den oberen Abschnitt 14 einer Lenksäule 10 nach 7 in einem Längsschnitt.
9 zeigt einen Längsschnitt durch ein Lenkgetriebe 9.
1. 2 und 3: Das Lenkungslager 1 weist eine Reihe 16 Rollen 17 auf, die in einem Käfig 18 geführt sind. Die Reihe 16 ist außen von einer Lagerhülse 23 umgeben.
4 zeigt die Lagerhülse 23 in einer Gesamtansicht.
5 zeigt die Lagerhülse 23 in einem Längsschnitt.
1–5: Die Lagerhülse 23 ist ein hohlzylindrisches Blechteil mit einem Schlitz 19, durch welchen die Lagerhülse 23 und die Innenlaufbahn 21 für die Rollen 17 einmal am Umfang geteilt sind. Ein Vorspannmittel 20 ist als elastischer Toleranzring 22 aus einem Gummiwerkstoff ausgebildet, der die Lagerhülse 23 außenumfangsseitig umgibt. Der Toleranzring 22 sitzt radial zwischen der Lagerhülse 23 und einer konzentrisch zur Lagerhülse 23 angeordneten Buchse 24. Die Buchse 24 weist beidseitig jeweils einen Anschlag 25 auf, der sich jeweils in Form eines umlaufenden Bordes 27 von einem zylindrischen Abschnitt 26 radial in Richtung der Rotationsachse 2 erstreckt und der einteilig-einmaterialig mit dem Abschnitt 26 ausgebildet ist. Es ist alternativ auch möglich die Anschläge form-, kraft- oder stoffschlüssig mit dem zylindrischen Abschnitt zu verbinden.
2: Die Vorspannhülse 20 ist mittels der Borde 27 formschlüssig in der Buchse 24 gehalten. Die Borde 27 hintergreifen den Toleranzring 22 axial und liegen dem Käfig 18 sowie den Rollen 17 axial gegenüber. Dazu erstreckt sich jeder Bord 25 radial mindestens soweit in Richtung Rotationsachse, dass das durch den jeweiligen Bord 25 begrenzte Loch einen Durchmesser d aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser D des Teilkreises der Reihe 16. Unter dem Teilkreis ist dabei ein gedanklich um die Rotationsachse gelegter und die Rollenachsen 29 der Rollen 17 schneidender Kreis zu verstehen, durch dessen Zentrum die Rotationsachse senkrecht verläuft.
8: Der obere Abschnitt 14 weist ein Lenkrohr 7 auf, in dem die Lenkspindel 4 mittels eines oberen Lenkungslagers 29 und eines unteren Lenkungslagers 1 drehbar gelagert ist. Das Lenkrad 13 ist an der Lenkspindel 4 befestigt. Das Lenkungslager 1 ist mit der Buchse 24 in einen Lagersitz 30 des Lenkrohrs 14 eingepresst. Die Rollen 17 liegen an einer Innenlaufbahn 31 der Lenkspindel 4 an. Das Vorspannmittel 20 ist radial zwischen der Lagerhülse 23 und der Buchse 24 eingespannt. Da die Lagerhülse 23 geschlitzt ist, werden die Rollen 17 durch die Vorspannung des Vorspannmittels 20 radial gegen die Innenlaufbahn 31 vorgespannt.
9: In dem Lenkgetriebe 9 steht eine Ritzelwelle 32 im Zahneingriff mit einer Zahnstange 33. Die Ritzelwelle 32 ist zweifach in dem zweiteiligen Gehäuse 8 des Lenkgetriebes 9 gelagert und über einen Dehn-Drehstab 35 mit der Eingangswelle 5 verbunden. Die Eingangswelle 5 ist mit einem Nadellager 34 und mit dem Lenkungslager 1 gelagert. Das Lenkungslager 1 ist mit der Buchse 24 in das Gehäuse 8 eingepresst. Die Rollen 17 liegen an einer Innenlaufbahn 36 der Eingangswelle 5 an. Das Vorspannmittel 20 ist radial zwischen der Lagerhülse 23 und der Buchse 24 eingespannt. Da die Lagerhülse 23 geschlitzt ist, werden die Rollen 17 durch die Vorspannung des Vorspannmittels 20 radial gegen die Innenlaufbahn 36 vorgespannt.

6 zeigt ein Diagramm, mit dem exemplarisch das Verformungsverhalten anhand der Auslenkung einer Welle (Abszisse → Weg in mm) gegenüber einem Gehäuse an einer Lagerstelle in Abhängigkeit der Belastung (Ordinate ↑ Kraft in N) der Welle dargestellt ist, wenn die Welle mittels eines erfindungsgemäßen Lenkungslagers 1 an der Lagerstelle gelagert ist. Die Steifigkeit des Vorspannelements nimmt mit zunehmender Belastung progressiv zu. Bezugszeichen

1	Lenkungslager	21	Innenlaufbahn
2	Rotationsachse	22	Toleranzring
3	Welle	23	Lagerhülse
4	Lenkspindel	24	Buchse
5	Eingangswelle	25	Anschlag
6	Gehäuse	26	zylindrischer Abschnitt
7	Lenkrohr	27	Bord
8	Gehäuse	28	-
9	Lenkgetriebe	29	Lenkungslager
10	Lenksäule	30	Lagersitz
11	Lenkung	31	Innenlaufbahn
12	Fahrzeug	32	Ritzelwelle
13	Lenkrad	33	Zahnstange
14	oberer Abschnitt	34	Nadellager
15	unterer Abschnitt	35	Drehstab
16	Reihe	36	Innenlaufbahn
17	Rolle
18	Käfig
19	Schlitz
20	Vorspannmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005045522 A1 [0006]

Claims

Lenkungslager (1) für Spiele ausgleichende Lagerungen einer Welle (3) in einem Gehäuse (6) mit wenigstens einer Reihe (16) Rollen (17) und einer die Reihe (16) außen umgebenden Lagerhülse (23) und wenigstens einem Vorspannmittel (20) zum Ausgleichen von Toleranzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel (20) radial zwischen der Lagerhülse (23) und einer die Lagerhülse (23) mit Abstand umfangsseitig umgebenden Buchse (24) federelastisch eingespannt ist.
Lenkungslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel (20) ein Ring aus wenigstens einem gummielastischen Werkstoff ist.
Lenkungslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse (23) umfangsseitig einmal durch einen Schlitz (19) unterbrochen ist.
Lenkungslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (24) an einer Seite wenigstens einen Anschlag (25) aufweist, der von einem zylindrischen Abschnitt (26) der Buchse (24) aus radial in Richtung einer in dem Lenkungslager (1) konzentrisch und axial verlaufenden Rotationsachse (2) gerichtet ist, wobei der Anschlag (25) axial stirnseitig mindestens einer der Rollen (17) gegenüberliegt.
Lenkungslager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (24) axial beidseitig einen Anschlag (25) aufweist.
Lenkungslager nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (24) beidseitig endseitig jeweils mit einem radial in Richtung der Rotationsachse (2) gerichteten umlaufenden Bord (27) versehen ist, der axial der Reihe (16) Wälzkörper (17) gegenüberliegt.
Lenksäule (10) einer Lenkung (11) eines Kraftfahrzeuges (12), in der eine Welle (3) mittels wenigstens eines Lenkungslagers (1) nach Anspruch 1 gelagert ist.
Lenkgetriebe (9) einer Lenkung (11) eines Kraftfahrzeuges (12), in dem wenigstens eine Welle (3) mittels eines Lenkungslagers (1) nach Anspruch 1 gelagert ist.
Lenkung (11) eines Kraftfahrzeuges (12) mit wenigstens einem Lenkrad (13), einem Lenkgetriebe (9), mit einem Verbindungsstrang zwischen dem Lenkrad (13) und dem Lenkgetriebe (9) sowie mit wenigstens ein Lenkungslager (1) nach Anspruch 1 in dem Verbindungsstrang und oder in dem Lenkgetriebe (9).