DE102014017407A1

DE102014017407A1 - Verfahren zur Herstellung einer profilierten Hohlwelle für eine teleskopierbare Lenkwelle und teleskopierbare Lenkwelle

Info

Publication number: DE102014017407A1
Application number: DE102014017407.7A
Authority: DE
Inventors: Herbert Müntener; Werner Gstach
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-06-02
Also published as: US20170328400A1; WO2016082969A1; CN107000014A; EP3223977A1; US10634184B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer profilierten Hohlwelle (20, 30) für eine teleskopierbare Lenkwelle (10) eines Kraftfahrzeugs, umfassend das Bereitstellen einer zu bearbeitenden Hohlwelle und eines mindestens eine Rolle (52, 521) aufweisenden Rollierkopfes (50, 501), wobei zur Erzeugung einer Nut (22, 32) in der Hohlwelle (20, 30) die Hohlwelle (20, 30) relativ zu dem Rollierkopf (50, 501) bewegt wird. Um ein verbessertes und kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung einerprofilierten Hohlwelle für eine teleskopierbare Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur Ausbildung einer Nut (22, 32) eine Bewegung der Hohlwelle (20, 30) relativ zu dem Rollierkopf (50, 501) ausschließlich in Richtung der Längsachse der Hohlwelle (20, 30) erfolgt. Eine Lenkwelle (10) mit erfindungsgemäß erzeugten Wälzkörperlaufbahnen (22, 32) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer profilierten Hohlwelle für eine teleskopierbare Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, umfassend das Bereitstellen einer zu bearbeitenden Hohlwelle und eines mindestens eine Rolle aufweisenden Rollierkopfes, wobei zur Erzeugung einer Nut in der Hohlwelle die Hohlwelle relativ zu dem Rollierkopf bewegt wird, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Teleskopierbare Lenkwellen in Kraftfahrzeugen ermöglichen eine Verstellbarkeit der Lenksäule, wobei die Lenkradposition in Längsrichtung der Lenkwelle eingestellt werden kann. Außerdem kann die die Lenkwelle im Fall eines Crashs zusammengeschoben werden, wodurch wirksam verhindert wird, dass die Lenksäule weiter in das Innere der Fahrgastzelle eindringt und zu Verletzungen der Insassen führt. Dies wird in der Regel durch die Bereitstellung zweier gegeneinander teleskopierbarer Wellen bzw. Hohlwellen erreicht, welche gemeinsam eine Lenkwelle bilden, die durch teleskopierende Relativbewegung der Wellen entsprechend verkürzt oder ausgefahren werden kann.
Die US 8,460,116 offenbart eine Rollschiebewelle, bestehend aus einer inneren und äußeren Welle, zwischen denen Linear-Kugelführungen angeordnet sind. Zur Bereitstellung der äußeren Kugellaufbahnen wird die äußere Welle der Rollschiebewelle aus Kreisringsegmenten gebildet. Dadurch ergibt sich ein relativ komplizierter Aufbau aus einer Vielzahl von einzelnen Komponenten.
Die DE 10 2008 041 155 A1 schlägt ein Außenrohr für eine teleskopierbare Lenkwelle vor, welches als äußere Welle eine innere Welle umgibt. Im radialen Zwischenraum zwischen den Wellen sind Kugeln angeordnet. Diese Kugeln wälzen sich beim Teleskopieren parallel zur Längsachse der Lenkwelle auf der Außenseite der inneren Welle und der Innenseite der äußeren Welle ab und sorgen dadurch für eine leichtgängige Verstellbarkeit. Im Außenrohr sind hierzu axial in Längsrichtung verlaufende, nutartige Kugellaufbahnen mit teilkreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Zur Ausbildung der Kugellaufbahnen weist das Außenrohr eine sich über den Umfang ändernde Wandstärke auf, wodurch ein relativ hoher Fertigungsaufwand zur Erzeugung der Außenrohrquerschnittsgeometrie entsteht.
Eine ähnlich ausgebildete teleskopierbare Lenkwelle wird in der EP 1 693 579 A2 beschrieben. Diese weist ebenfalls zwischen den relativ zueinander teleskopierbaren Wellen angeordnete, in Richtung der Längsachse abwälzbare Kugeln auf. Bei dieser Ausführung sind die innere und die äußere Welle mit radial gegenüberliegenden, korrespondierenden Kugellaufbahnen versehen. Dabei ist die Innenwelle als massives Schmiedeteil ausgebildet und die Außenwelle weist eine komplexe Querschnittsgeometrie ähnlich wie in der vorgenannten DE 10 2008 041 155 A1 auf.
Zur Herstellung einer profilierten Hohlwelle ist aus der CH 579 427 A5 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Hohlwelle bei der Bearbeitung durch einen Rollierkopf mit ringartig profilierten Walzen bzw. Rollen um ihre Längsachse gedreht wird, so dass durch jeweils eine Walze aufeinander folgende Einzelwalzvorgänge auf einer schraubenlinienförmigen Zone der Hohlwellenoberfläche nebeneinander gesetzt werden. Dadurch lassen sich profilierte Hohlwellen mit hoher Präzision fertigen. Die erforderliche Dreh-Vorschubbewegung und die dabei rasch aufeinander folgenden, schlagartigen Einzelwalzvorgänge machen das bekannte Verfahren jedoch technisch aufwendig, zeitintensiv und entsprechend kostenspielig und damit für die Herstellung von Lenkwellen nicht geeignet.
Nachteilig bei den im Stand der Technik bekannten teleskopierbaren Lenkwellen ist der relativ hohe Fertigungsaufwand zur Ausbildung der als Kugel- bzw. Wälzkörperlaufbahnen dienenden Nuten.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes und kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung einer profilierten Hohlwelle für eine teleskopierbare Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Herstellen einer profilierten Hohlwelle für eine teleskopierbare Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend das Bereitstellen einer zu bearbeitenden Hohlwelle und eines mindestens eine Rolle aufweisenden Rollierkopfes, wobei zur Erzeugung einer Nut in der Hohlwelle die Hohlwelle relativ zu dem Rollierkopf bewegt wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass zur Ausbildung einer Nut eine Bewegung der Hohlwelle relativ zu dem Rollierkopf ausschließlich in Richtung der Längsachse der Hohlwelle erfolgt.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass auf eine komplizierte Rotationsbewegung während des Rollierens vollkommen verzichtet wird. Eine zu bearbeitende Hohlwelle wird in einer rein linearen Vorschubbewegung durch einen Rollierkopf bewegt, wobei mindestens eine Rolle, bevorzugt mehrere Rollen mechanisch auf die äußere Manteloberfläche der Hohlwelle einwirken. Durch eine Rolle wird dadurch jeweils eine in Längsrichtung parallel zur Längsachse der Hohlwelle verlaufende nutartige Vertiefung eingeformt.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Umformverfahren zur Herstellung profilierter Hohlwellen keine kombinierte Rotations-Vorschubbewegung des Werkstücks erfolgen muss, wodurch die Fertigungsanlagen weniger komplex sein können. Außerdem werden deutlich reduzierte Taktzeiten erreicht, was eine besonders rationelle Fertigung ermöglicht. Erst die dadurch erreichte hohe Produktivität macht den Einsatz eines Rollierverfahrens in der Produktion von teleskopierbaren Lenkwellen für die Automobilindustrie wirtschaftlich geeignet.
Beim Erzeugen einer Nut wird Werkstoff von einem Umfangsbereich mit einem Ausgangsradius in einen Umfangsbereich mit einem im Vergleich zum Ausgangsradius kleineren Radius verlagert. Die gebildete Nut dient als Formelement zur Drehmomentübertragung einer Drehbewegung der teleskopierbaren Lenkwelle.
Zur Ausbildung einer teleskopierbaren Lenkwelle wird eine äussere Hohlwelle und eine darin teleskopierbar angeordnete innere Hohlwelle mit zueinander korrespondierenden Nuten angeordnet. Die Nut in der inneren Manteloberfläche einer äusseren Hohlwelle wird dabei durch den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nach innen verlagerten Bereich der Hohlwelle gebildet. Im Gegensatz hierzu wird die Nut in einer äußeren Manteloberfläche einer inneren Hohlwelle durch den beim Rollieren nach innen verlagerten Bereich der Hohlwelle gebildet.
Als Basisfläche der Nut bzw. Nutbasisfläche wird der vom Rand der Nut aufgespannte Flächenbereich verstanden, der im Fall der inneren Hohlwelle nicht bei der Umformung verlagert wurde und entsprechend den grössten Radienbereich beidseits der jeweiligen Nut bildet. Anders ausgedrückt handelt es sich um die Fläche des freien Öffnungsquerschnitts der Nut. Im Fall der äusseren Hohlwelle wird die Basisfläche der Nut durch den Rand der Nut aufgespannt, der durch den kleinsten Radienbereich beidseits der jeweiligen Nut gebildet ist.
Das Kernstück einer Fertigungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Rollierkopf, der mindestens eine, in der Regel mehrere Rollen aufweist. Die Rollen sind auf Drehachsen quer zur Bearbeitungsrichtung gelagert, in der eine zu bearbeitende Hohlwelle in Richtung ihrer Längsachse linear an den Rollen vorbei bewegt wird. Mit ihrem Außenumfang können die Rollen in einem erfindungsgemäßen Rollierkopf auf der äußeren Manteloberfläche einer in den Rollierkopf eingeführten Hohlwelle ausschließlich in Richtung der Längsachse abrollen. Mit ihrem als Rollierprofil ausgebildeten Außenumfang stehen die Rollen radial in den offenen Querschnitt eines Bearbeitungsdurchgangs vor. Wird ein Hohlwellen-Rohling in Form eines Rohrabschnitts – beispielsweise ein Rund- oder Mehrkantrohr – in Längsrichtung in den Bearbeitungsdurchgang linear vorgeschoben, wälzen sich sie Rollen mit ihrem Rollierprofil ausschließlich in Richtung der Längsachse auf der Hohlwelle ab. Die radiale Zustellung der Rollen, die angibt, wie weit das Rollierprofil in den Bearbeitungsdurchgang vorsteht, bestimmt, wie tief erfindungsgemäß in Längsrichtung verlaufende Nuten beim Passieren der Rollen von außen in die Hohlwelle eingeformt werden.
Die Nuten werden beim erfindungsgemäßen Verfahren mittels des Rollierkopfes in einer Kaltverformung in die Hohlwelle eingeformt. Im Unterschied zum Stand der Technik, in dem eine Nut durch eine Vielzahl schlagartiger Einzelwalzvorgänge in radialer und axialer Richtung ausgeformt wird, erfolgt erfindungsgemäß ein ausschließlich in Längsrichtung durchgehender Walzvorgang. Abhängig vom Material und der Materialstärke der Hohlwelle und der radialen Tiefe der Profilierung, d. h. der Nuten, ist es denkbar, dass das Sollmaß des Hohlwellen-Profils in einem einzigen Durchgang durch den Rollierkopf erreicht wird, beispielsweise bei einem Vorhub in Längsrichtung. Dadurch lassen sich besonders kurze Taktzeiten realisieren. Es ist ebenfalls möglich, das Endmaß der Profilierung in mehreren Durchgängen zu erreichen, wobei zwischen den einzelnen Durchgängen jeweils eine radiale Zustellung der Rollen erfolgt. Beispielsweise kann die Profilierung in einem auf den genannten Vorhub folgenden Rückhub der Hohlwelle entgegen der Längsrichtung auf das Endmaß gebracht werden. Bevorzugt sind die Rollen mit einer festen Drehachse, deren Abstand nicht variabel ist, in dem Rollierkopf angeordnet. Dadurch sinken die Anlagenkosten erheblich, da keine komplizierte Zustell- und Justierbewegung der Rollenachsen dargestellt werden muss. Im Fall, dass die Darstellung der Hohlwelle mit mehreren Schritten mit unterschiedlicher Zustellung der Rollen erfolgen soll, können mehrere verschiedene Rollierköpfe mit jeweils festgelegten voneinander verschiedenen, aber je Rollierkopf fest eingestellten, Achsabständen der Drehachsen der Rollen eingesetzt werden. Es ist dabei auch denkbar und möglich, verschiedene Rollenkonturen in den verschiedenen Rollierköpfen zur Ausbildung der Nuten vorzusehen, um die Umformung gezielt zu beeinflussen.
Bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass die Erzeugung der mindestens einen Nut mit einer Länge auf der Hohlwelle durch eine entlang der Länge durchgehenden Vorhubbewegung der Hohlwelle relativ zu dem Rollierkopf erfolgt, wobei die Rolle des Rollierkopfes auf der Hohlwelle durchgehend in Längsrichtung abrollt. Mit einer durchgehenden Hubbewegung wird eine lineare Bewegung in einer Hubrichtung ohne Bewegungsumkehr bezeichnet, bevorzugt ohne Bewegungungsunterbrechung. Demgemäß erfolgt die Einformung einer gesamten Nut in einer unterbrechungsfreien linearen Bewegung relativ zu den Rollen über die Gesamtlänge der Nut. Die lineare Bewegung kann mit gleichbleibender Geschwindigkeit oder mit einem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil erfolgen. Im Unterschied zum Stand der Technik, der mehrere diskontinuierliche Einzelbewegungen vorsieht, kann erfindungsgemäß eine Nut in einer einmaligen, kontinuierlichen Linearbewegung ausgebildet werden. Die Zustellung der Rollen im Rollierkopf kann vorab entsprechend auf ein Endmaß erfolgen, wobei der vor dem ersten Vorhub beim Einführen der Hohlwelle eingestellte Querschnitt des Bearbeitungsdurchgangs der angestrebten Profilierung entspricht. Bevorzugt ist die Zustellung der Rollen im Rollierkopf fest eingestellt, das heisst der Rollierkopf hat keine Einstellmechanik, mit deren Hilfe der Abstand der Rollenachsen verändert werden kann. Im einfachsten Fall die die Achsen, auf denen die Rollen gelagert sind, fest in Aussparungen im Rollierkopf eingelassen.
Bevorzugt wird vorgesehen, dass nach einer Vorhubbewegung die Hohlwelle durch eine durchgehende Rückhubbewegung relativ zu dem Rollierkopf zurückgezogen wird. Die Nuten erstrecken sich bei Hohlwellen zum Einsatz in Lenkwellen von einem Ende über eine vorgegebene Nutlänge, die kleiner ist als die Wellenlänge, d. h. die jeweilige Gesamtlänge der inneren oder äußeren Hohlwelle. Die daher nach einer Vorhubbewegung zur Entnahme einer Hohlwelle aus dem Rollierkopf erforderliche Rückhub- oder Rückzugbewegung wird wie die Vorhubbewegung ebenfalls bevorzugt in einer kontinuierlich durchgehenden Linearbewegung ausgeführt. Falls das Endmaß der Profilierung bereits im Vorhub eingestellt worden ist, verbleiben die Rollen in ihrer radialen Zustellposition, so dass beim Rückhub aufgrund der elastischen Rückfederung der Hohlwelle in radialer Richtung eine Rollierung mit geringer Zustellung durchgeführt wird, wodurch die Maßhaltigkeit und die Oberflächengüte der rollierten Nuten verbessert wird.
Die Einformung einer Nut in einem kontinuierlich durchgehenden Arbeitshub – zum Beispiel beim Vor- oder Rückhub – hat den Vorteil, dass besonders kurze Taktzeiten realisiert werden können, was einer rationellen Fertigung von Lenksäulen zugute kommt. Außerdem kann durch die ausschließlich kontinuierlich in Längsrichtung erfolgende Bearbeitung eine mikroskopische Oberflächenstruktur erzeugt werden, die optimal an die relative Längsverschiebung von innerer und äußerer Welle beim Teleskopieren einer Lenksäule angepasst ist. Beispielsweise ist die Nutoberfläche in Längsrichtung besonders glatt, wodurch das Gleitverhalten der Wellen beim Verstellen und bei den durch die Elastizitäten des Kraftfahrzeugs auftretenden minimalen Verschiebebewegungen während des Fahrzeugbetriebs verbessert wird.
Die lineare Relativbewegung zwischen der Hohlwelle und dem Rollierkopf ist fertigungstechnisch mit geringem Aufwand realisierbar. Es ist beispielsweise möglich, einen Hohlwellen-Rohling auf eine motorisch antreibbare lineare Vorschubeinheit aufzuspannen, die beim Verfahren in Längsrichtung die Hohlwelle in einer Vorhubbewegung in den Bearbeitungsdurchgang des Rollierkopfes zwischen den Rollen durchschiebt. Durch Verfahren der Vorschubeinheit entgegen der Längsrichtung erfolgt eine Rückhubbewegung, mit der die Hohlwelle aus dem Rollierkopf herausgezogen wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Rollen des Rollierkopfes motorisch drehbar anzutreiben. Beim Einführen in den Bearbeitungsdurchgang wird eine Hohlwelle von den sich drehenden Rollen erfasst und – wenn die Drehrichtung mit einer Umfangsbewegung in Längsrichtung der Hohlwelle korrespondiert – in einer Vorhubbewegung zwischen den Rollen hindurch befördert. Der am Außenumfang der Rollen ausgebildete Profilquerschnitt wird dabei in den Außenumfang der Hohlwelle eingeformt. Durch eine Umkehrung der Drehrichtung gegen die Längsrichtung kann die bereits vollständig oder teilweise profilierte Hohlwelle in einer Rückhubbewegung aus dem Rollierkopf heraus befördert werden.
Eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Profildorn in die Hohlwelle eingeschoben wird und während der Bewegung der Hohlwelle relativ zu dem Rollierkopf mit der Hohlwelle gemeinsam bewegt wird. Der Profildorn bildet ein Widerlager bezüglich der von außen durch die Rollen auf die Hohlwelle einwirkenden Kräfte bei der Einformung der Nuten. Durch die gemeinsame Bewegung von Hohlwelle und Profildorn findet während der Einformung der Nuten durch den Rollierkopf keine Relativbewegung in Längsrichtung zwischen Hohlwelle und Profildorn auf, wodurch Reibungsverluste minimiert werden.
Auf seinem Außenumfang ist der Profildorn mit einer Querschnittskontur ausgebildet, welche als negative Gegenform bzw. Matrize für das beim Rollieren radial von außen in die Wandung der Hohlwelle eingeformte Nutprofil dient. Bei der Herstellung einer äußeren Hohlwelle wird das Material in das Außenprofil des Profildorns eingewalzt, so dass die Innenseite der äußeren Hohlwelle entsprechend der durch den Profildorn vorgegebenen Nutgeometrie kaltverformt wird und ein Nutprofil zur formschlüssigen Aufnahme einer inneren Hohlwelle erhält.
Das auf der Außenseite einer inneren Welle ausgebildete Nutprofil wird durch das Arbeitsprofil am Außenumfang der Rollen vorgegeben. Durch Kaltverformung wird das Nutprofil als Abformung des Rollenprofils in Längsrichtung in die Außenseite des Hohlprofils eingebracht.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Hohlwelle zur Erzeugung mindestens einer Nut leer durch den Rollierkopf an den Rollen vorbeigeführt wird. In diesem Zusammenhang ist mit „leer” gemeint, dass im offenen Durchgangsquerschnitt einer zu profilierenden Hohlwelle kein Dorn oder sonstiger Körper angeordnet ist, der geeignet wäre, die Wandung der Hohlwelle während der Kaltumformung bei der Erzeugung der Nuten abzustützen oder die Ausbildung der Nuten zu unterstützen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sowohl die Erzeugung von Nuten in der äußeren Oberfläche einer inneren Hohlwelle als auch in der inneren Oberfläche einer äußeren Hohlwelle mit den geforderten Eigenschaften erfolgen kann, ohne einen Profildorn zu verwenden. Besonders bevorzugt können Nuten auf diese Weise in Hohlprofile mit einem Durchmesser kleiner als 30 mm eingebracht werden, bezogen auf den Außendurchmesser eines inneren Hohlprofils bzw. den Innendurchmesser eines äußeren Hohlprofils.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Lenkwelle in Richtung der Längsachse linear wälzgelagert ist, wobei eine Nut in einer Hohlwelle als Wälzkörperlaufbahn zur Aufnahme mindestens eines abwälzbaren Wälzkörpers ausgebildet ist. Unter einer linear wälzgelagerten Lenkwelle wird eine Ausführung verstanden, bei der zwischen der inneren und der äußeren Hohlwelle Wälzkörper, beispielsweise Kugeln, angeordnet sind, die bei einer teleskopierenden Bewegung auf den gegeneinander gerichteten Umfangsflächen der ineinander geführten Hohlwellen abrollen. Beispiele für derartige wälzgelagerte Lenkwellen sind im eingangs beschriebenen Stand der Technik genannt, beispielsweise in der EP 1 693 579 A2 oder der DE 10 2008 041 155 A1 .
Zur Ausbildung als Wälzkörperlaufbahn ist die Nut derart geformt, dass ein Wälzkörper, beispielsweise eine Zylinderrolle oder eine Kugel, eingelegt werden kann, der sich entlang der Längsachse rollend in der Nut geführt bewegen kann, wobei mehr als ein Achtel des grössten Durchmessers des Wälzkörpers über die Nutbasisfläche herausragt, also aus der Fläche der freien Nutöffnung. Speziell bevorzugt erfolgt die Erzeugung der Nut derart, dass sie als Laufbahn für einen Wälzkörper in Form einer Kugel ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Nut derart geformt ist, dass eine Kugel eingelegt werden kann, die sich entlang der Längsachse rollend in der Nut geführt bewegen kann und mehr als ein Achtel des Kugeldurchmessers über die Nutbasisfläche herausragt. Bevorzugt ragt der Wälzkörper – Zylinderrolle oder Kugel – mit mehr als der Hälfte des grössten Durchmessers aus der Nutbasisfläche heraus, mit anderen Worten um mehr als die Hälfte aus der Nut hervorsteht.
In linear wälzgelagerten Lenkwellen dienen auf der Innenfläche der äußeren Hohlwelle und/oder der Außenfläche der inneren Hohlwelle in Längsrichtung verlaufende Nuten als Wälzkörperlaufbahnen, im Folgenden auch gleichbedeutend als Kugellaufbahnen bezeichnet, in denen die Kugeln oder anderen Wälzkörper beim Teleskopieren abrollen. An die Profilgeometrie derartiger Kugellaufbahnen sowie an die Querschnittsgeometrie der ineinander teleskopierbaren Wellen eine Lenksäule werden hohe Anforderungen bezüglich der Genauigkeit und Oberflächengüte gestellt. Gleichzeitig wird eine rationelle und kosteneffiziente Fertigungsweise gefordert. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens können erstmals Nuten in Hohlwellen eingebracht werden, die als Kugellaufbahnen geeignet sind und die vorgenannten Forderungen optimal erfüllen. Besonders bemerkenswert ist dabei, dass die Wälzkörperlaufbahnen in der oben beschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens realisiert werden können, welches die Rollierung einer leeren Hohlwelle vorsieht, ohne Verwendung eines in die Hohlwelle eingeführten Profildorns. Insbesondere für die Fertigung wälzgelagerter Lenksäulen mit kleinerem Durchmesser bringt es fertigungstechnische, funktionale und wirtschaftliche Vorteile, die innere und die äußere Hohlwelle nach dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen.
Vorzugsweise ist eine Hohlwelle als innere Hohlwelle ausgebildet und weist auf ihrem Außenumfang mindestens eine Wälzkörperlaufbahn auf, die von außen von einem Rollierkopf eingebracht wird, dessen Rollen ein konvexes Rollierprofil entsprechend dem negativen Wälzkörperlaufbahnquerschnitt aufweist. Durch das Rollierprofil der Rollen, welches dem beim Abrollen in direktem Kontakt in die Oberfläche der Hohlwelle eingeformt wird, kann die Querschnittsgeometrie der die Wälzkörperlaufbahn bildenden Nut mit hoher Präzision erzeugt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Hohlwelle als äußere Welle ausgebildet ist und auf ihrem Innenumfang mindestens eine Wälzkörperlaufbahn aufweist, die von außen von einem Rollierkopf eingebracht wird, dessen Rollen ein konkaves Rollierprofil dem Wälzkörperlaufbahnquerschnitt folgend aufweist. Die Erzeugung der als Kugellaufbahnen dienenden Nuten in der inneren Oberfläche des äußeren Hohlprofils erfolgt, indem die Wandung durch die Ränder des von der Außenseite an die Hohlwelle angepressten konkaven Rollierprofils der Rolle radial nach innen verformt wird. Dadurch wird die auf der Innenseite liegende Kugellaufbahn von der Außenseite der Hohlwelle indirekt eingeformt, ohne dass die Rolle bei der Bearbeitung direkten Kontakt mit der Oberfläche der Kugellaufbahn hat. Es hat sich gezeigt, dass unter Berücksichtigung der vorgegebenen Parameter wie Durchmesser, Wandstärke, Querschnittsform und Material der Hohlwelle die Querschnittsgeometrie einer Kugellaufbahn durch das erfindungsgemäße Verfahren bei der indirekten Einformung ebenfalls rationell und präzise realisiert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, dass mindestens eine Rolle im Querschnitt ein gotisches Profil aufweist. Ein gotisches Profil, auch als Spitzbogenprofil bezeichnet, zeichnet sich durch zwei Bogenabschnitte aus, die relativ zueinander geneigt winklig miteinander verbunden sind, so dass eine Spitze bzw. eine Knickstelle gebildet wird. Das wird dadurch erreicht, dass der erste Mittelpunkt des ersten Bogenabschnitts relativ zum zweiten Mittelpunkt des zweiten Bogenabschnitts versetzt ist, und zwar um einen vorgegebenen Abstand in Richtung zum gegenüberliegenden Bogenabschnitt hin. Das gotische Profil ist spiegelsymmetrisch zu einer durch die Spitze des Querschnitts gehende Spiegelachse; entsprechend liegen die vorgenannten ersten und zweiten Mittelpunkte spiegelsymmetrisch jeweils mit ihrem halben Abstand beiderseits zu besagter Spiegelachse. Bei einem konvexen Profilquerschnitt liegt die Spitze auf dem äußersten Umfang der Rolle, und bei einer durch die Rolle direkt in eine Oberfläche einer (inneren) Hohlwelle eingeformten Nut entsprechend am tiefsten Punkt der Nut. Bei einem konkaven Profilquerschnitt der Rolle liegt die Spitze im innersten Umfang des Rollenquerschnitts, der die Wandung einer (äußeren) Hohlwelle umformt, so dass auf der Innenseite der Hohlwelle, die der Rolle abgewandt ist, eine Wälzkörperlaufbahn mit gotischem Profilquerschnitt ausgebildet wird. Dadurch, dass der Radius der Bögen des gotischen Profils größer bemessen wird als der Durchmesser der Kugeln, entsteht jeweils an zwei Stellen ein Punktkontakt zwischen der Kugellaufbahn und einer Kugel. Dadurch werden besonders gute Laufeigenschaften mit exakter Führung, gleichmäßiger Lastverteilung und hoher Steifigkeit erreicht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Erzeugen der Gesamtzahl einer Mehrzahl von in der in der Hohlwelle vorhandenen Nuten in einem gemeinsamen Arbeitsschritt mit einer durchgehenden Vorhubbewegung erfolgt. Die Gesamtzahl meint alle Nuten, die in eine Hohlwelle eingeformt werden.
Vorzugsweise ist für jede Nut in der Hohlwelle eine separate Rolle in dem Rollierkopf bereitgestellt, wobei die Rollen zur Erzeugung der Nuten gleichzeitig auf der Hohlwelle abrollen. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Nuten in Richtung der Längsachse der Hohlwelle in der Hohlwelle in einem Arbeitsgang zu erzeugen. Auf diese Weise kann mittels einer axialen Relativbewegung der Hohlwelle gegenüber den Rollen des Rollierkopfes der gesamte Umformvorgang zur Erzeugung der Nuten in der Hohlwelle ausgeführt werden. Dadurch ergibt sich eine deutliche Zeitersparnis, so dass gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren deutlich kürzere Taktzeiten zur Profilierung der Hohlwelle beziehungsweise zur Ausbildung der Nuten in der Hohlwelle möglich sind.
Darüber hinaus kann eine gleichzeitige Ausbildung der in der Hohlwelle zu erzeugenden Nuten bei einer symmetrischen Anordnung der Nuten in der Hohlwelle zu einer im Wesentlichen symmetrischen Krafteinwirkung der Rollen des Rollierkopfes in radialer Richtung auf die Hohlwelle führen. Dies ist besonders vorteilhaft für die Ausgestaltung des Rollierkopfes. Ein symmetrischer Kräfteverlauf führt dazu, dass geringere Anforderungen an die Stützwirkung der einzelnen Komponenten des Rollierkopfes bestehen. Außerdem reduziert der symmetrische Kräfteverlauf die in einer Lagerung des Rollierkopfes entstehenden Momente erheblich, was zu einer Reduktion der Konstruktions- und Fertigungskosten des Rollierkopfes führen kann.
Ferner wirkt sich eine symmetrische Krafteinwirkung auch positiv auf die Eigenschaften der profilierten Hohlwelle aus. So erfährt die Hohlwelle gleichmäßige Biegevorgänge während der Kaltumformung, so dass auf der Hohlwelle gleichmäßige Nuten entstehen. Das Ergebnis ist ein symmetrischer Rotationskörper mit einer homogenen Materialverteilung.
Die Bereitstellung einer separaten Rolle in dem Rollierkopf für jede zu erzeugende Nut in der Hohlwelle macht somit eine erneute Winkelpositionierung der Hohlwelle relativ zum Rollierkopf überflüssig. Dadurch kann zum einen die Bearbeitungszeit zur Erzeugung einer profilierten Hohlwelle und zum anderen die Komplexität des Verfahrens zum Herstellen der profilierten Hohlwelle reduziert werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Lenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine innere Hohlwelle und eine äußere Hohlwelle, welche koaxial zueinander angeordnet und gegeneinander teleskopierbar sind, wobei die innere Hohlwelle und die äußere Hohlwelle in Richtung der Längsachse verlaufende Wälzkörperlaufbahnen aufweisen, die sich jeweils radial zwischen den Wellen gegenüberliegen, wobei zwischen der inneren Hohlwelle und der äußeren Hohlwelle zumindest ein Wälzkörper angeordnet ist, der auf den radial gegenüberliegenden Wälzkörperlaufbahnen abwälzt, wobei zumindest eine der beiden Wellen der Lenkwelle nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Dadurch ist es möglich, eine linear wälzgelagerte Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug mit geringerem Fertigungsaufwand und kürzeren Taktzeiten, und damit kostengünstiger als im Stand der Technik herzustellen. Dabei zeichnen sich die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Hohlwellen mit Wälzkörperlaufbahnen durch für das Teleskopieren besonders vorteilhafte Eigenschaften aus, die oben beschrieben sind.
Besonders bevorzugt weist zumindest einer der Wälzkörperlaufbahnen der inneren Hohlwelle und/oder der äußeren Hohlwelle im Querschnitt gesehen ein gotisches Profil auf. Diese auch als Spitzbogenprofil bekannte Form weist zwei Bögen, bevorzugt Kreisbögen auf, die in einer winklig abknickenden Spitze ineinander übergehen. Dadurch, dass der Radius der Bögen des gotischen Profils größer ist als der Durchmesser der als Wälzkörper eingesetzen Kugeln, entsteht jeweils an zwei Stellen ein Punktkontakt zwischen der Kugellaufbahn (Wälzkörperlaufbahn) und einer Kugel. Dadurch werden besonders gute Laufeigenschaften mit exakter Führung, gleichmäßiger Lastverteilung und hoher Steifigkeit erreicht. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Wälzkörperlaufbahnen sowohl in die äußere Oberfläche einer inneren Hohlwelle als auch in die innere Oberfläche einer äußeren Hohlwelle eingeformt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Wälzkörper eine Kugel ist, die mit mindestens einer der Wälzkörperlaufbahnen an zwei Umfangspunkten in Kontakt steht, unter einem Druckwinkel ϕ, der im Bereich zwischen 70 bis 110° liegt. Durch die Ausgestaltung des Profils der Wälzkörperlaufbahn, beispielsweise als gotisches Profil wie vorangehend beschrieben, steht eine Kugel jeweils nur in zwei Punkten in Kontakt mit der Oberfläche der jeweiligen Wälzkörperlaufbahn. Dadurch wird die Rollreibung minimiert, was einer leichten Verstellbarkeit beim Teleskopieren der Lenksäule zugute kommt. Außerdem wird so der Verschleiß minimiert. Die Vorgabe des Druckwinkels in dem angegebenen Bereich ist im Hinblick auf die Verteilung der Krafteinleitung in die Wälzkörperlaufbahn besonders günstig.
Es ist vorteilhaft, dass zwischen der inneren Hohlwelle und der äußere Hohlwelle eine Hülse angeordnet ist, wobei diese Hülse den zumindest einen Wälzkörper aufnimmt. Die Hülse bildet einen Käfig für die Wälzkörper, bevorzugt einen Kugelkäfig, in dem ein, üblicherweise mehrere Wälzkörper, frei drehbar, jedoch relativ zur Hülse und zueinander in definierter Position gehalten werden. Dieser Wälzkörperkäfig sorgt dafür, dass die Wälzkörper unverlierbar zwischen den Hohlwellen gehalten werden. Außerdem können mehrere Wälzkörper für eine Mehrzahl von Wälzkörperlaufbahnen auf der gleichen Position in Längsrichtung geführt werden, und mehrere Wälzkörper innerhalb einer Wälzkörperlaufbahn auf konstantem Abstand zueinander in Längsrichtung gehalten werden. Die mittels der Hülse erfolgende Positionierung der Wälzkörper relativ zueinander und zu den Wälzkörperlaufbahnen gewährleistet eine jederzeit optimale Anordnung der Wälzkörper, und zwar im Hinblick auf die Stabilität der Lenksäule, die Krafteinleitung ins Lager und eine geringe Reibung.
Im Querschnitt sind die Hohlwellen bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet, und zwar sowohl im Hinblick auf ihre Querschnitts-Grundform, als auch – besonders bevorzugt an diese Querschnitts-Grundform angepasst – hinsichtlich der Anordnung der als Wälzkörperlaufbahnen dienenden Nuten. Beispielsweise können die Hohlwellen einen viereckige, hier bevorzugt quadratischen Querschnitt haben, wobei vier Wälzkörperlaufbahnen symmetrisch auf allen vier Seiten angeordnet sein können, oder auch zwei Wälzkörperlaufbahnen symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten. Entsprechend können Hohlwellen mit einer dreieckigen Grundform drei Wälzkörperlaufbahnen aufweisen; bei einer sechseckigen Grundform ist es denkbar, zwei, drei, vier oder sechs Wälzkörperlaufbahnen in spiegel- oder rotationssymmetrischer Anordnung vorzusehen.
Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Lenkwelle,
2 einen Teil einer Lenkwelle gemäß 1 in auseinander genommenen Zustand,
3 eine Querschnittansicht einer Lenkwelle gemäß der vorangehenden Figuren,
4 eine Detailansicht der Schnittdarstellung gemäß 3 im Bereich eines Wälzkörpers,
5 eine weitere Detailansicht der Schnittdarstellung gemäß 3 mit herausgenommenem Wälzkörper,
6 eine schematische perspektivische Ansicht eines Rollierkopfes,
7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Rollierkopfes in einer zweiten Ausführungsform,
8 eine schematische perspektivische Ansicht der Rollenanordnung des Rollierkopfes gemäß 7,
9 eine Querschnittansicht der Rollenanordnung gemäß 7 im Bereich der Rolle,
10 eine schematische perspektivische Ansicht der Rollenanordnung des Rollierkopfes gemäß 6,
11 eine Querschnittansicht der Rollenanordnung gemäß 10 im Bereich der Rollen,
12 eine schematische Ansicht eines Längsschnittes entlang der Längsache eines Rollierkopfes während eines Rolliervorgangs,
13 eine Querschnittansicht einer Lenkwelle in einer zweiten Ausführungsform,
14 eine schematische Schnittansicht eines Rollierkopfes beim Einführen einer Hohlwelle,
15 eine schematische Schnittansicht des Rollierkopfes gemäß 14 während eines Rolliervorgangs mit einer darin befindlichen Hohlwelle beim Vorhub,
16 eine schematische Schnittansicht des Rollierkopfes gemäß 15 während eines Rolliervorgangs mit einer darin befindlichen Hohlwelle beim Rückhub.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
In den Figuren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wobei nachfolgend gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt werden.
1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine schematisch dargestellte Lenkwelle 10, die eine äußere Hohlwelle 20 und eine innere Hohlwelle 30 aufweist, die gegeneinander teleskopierbar sind in Richtung der Längsachse, d. h in der mit dem Doppelpfeil angedeuteten Längsrichtung.
Die äußere Hohlwelle 20 weist an ihrem freien Ende, welches bezüglich der inneren Welle 30 in Längsrichtung abgewandt ist, eine Gabel 21 auf, welche einen Teil eines Universalgelenks bildet, mit dem die Lenkwelle 10 momentschlüssig mit dem Lenkstrang verbunden ist. Entsprechend weist die innere Hohlwelle 30 an ihrem freien Ende, welches bezüglich der äußeren Welle 20 in Längsrichtung abgewandt ist, eine Gabel 31 auf, welche einen Teil eines weiteren Universalgelenks bildet, mit dem die Lenkwelle 10 momentschlüssig mit dem Lenkstrang verbunden ist. Die Hohlwellen 20 und 30 sind bevorzugt aus gut kaltumformbarem Stahl gefertigt.
2 zeigt einen Teil der Lenkwelle 1 gemäß 1 in einer Explosionsdarstellung, bei der die einzelnen Bestandteile in auseinander genommenem Zustand dargestellt sind. Daraus geht hervor, dass die äußere Welle 20 in ihrem der inneren Welle 30 zugewandten Bereich, in den die innere Hohlwelle 30 teleskopierend in Längsrichtung einschiebbar ist, profiliert ist. Die Profilierung der äußeren Welle 20 umfasst Nuten 22, die sich in der inneren Manteloberfläche 23 der äußeren Welle 20 in Längsrichtung über eine Länge A erstrecken. Die Länge A erstreckt sich von dem der inneren Welle 30 zugewandten Ende über einen Teilabschnitt der äußeren Welle 20, der kleiner ist als deren Gesamtlänge. Den Nuten 22 sind bezüglich der Wandung der Hohlwelle 20 außen gegenüberliegend konvex vorstehende wulstartige Ausformungen 24 in der äußeren Manteloberfläche 25 ausgebildet. Diese Ausformungen 24 sind in Umfangsrichtung beiderseits durch von außen nutartig eingeformte Bereiche 26 begrenzt. In der dargestellten Ausführung sind vier Nuten 22 gleichmäßig über den Umfang der Hohlwelle 20 verteilt angeordnet. Die Nuten 22 sind als Wälzkörperlaufbahnen, bzw. konkreter als Kugellaufbahnen ausgebildet, wie weiter unten noch erläutert wird.
Der Endabschnitt der inneren Hohlwelle 30, welcher der äußeren Hohlwelle 20 zugewandt und in diese teleskopierend einschiebbar ist, wie in 1 dargestellt, ist ebenfalls profiliert. Die Profilierung umfasst Nuten 32, die sich von dem in die äußere Hohlwelle 20 einsteckbaren Ende in der äußeren Manteloberfläche 33 der Hohlwelle 30 in Längsrichtung über eine Länge L erstrecken. Die Länge L erstreckt sich über den Teilabschnitt der inneren Hohlwelle 30, der in die äußere Hohlwelle 20 in Längsrichtung einsteckbar ist.
Aus 2 ist in der Zusammenschau mit der Querschnittsdarstellung in 3 gut erkennbar, wie radial zwischen den Nuten 22 und 32 Wälzkörper, nämlich Kugeln 40, angeordnet sind. Jeweils eine Mehrzahl von Kugeln 40 sind in Längsrichtung mit hintereinander in den Nuten 22 und 32 angeordnet. Dabei werden sie in einer als Kugelkäfig 80 ausgebildeten Hülse 80 frei drehbar, mit definiertem Abstand relativ zueinander gehalten. Gleichzeitig sorgt die Hülse 80 dafür, dass in Umfangsrichtung benachbarte Kugeln 40 bezüglich der Längsrichtung jeweils in der gleichen Position bleiben.
Die in 3 gezeigte Ausführung zeigt einen viereckigen, konkret einen quadratischen Grundquerschnitt der Hohlwellen 20 und 30. Die Nuten 22 und 32 sind symmetrisch jeweils mittig in einer Seite des Quadrats angeordnet.
Eine ähnliche, zweite Ausführungsform ist wie in der Darstellung von 3 in 13 gezeigt. Im Unterschied zur ersten Ausführung weist diese nur insgesamt zwei Reihen von Kugeln 40 auf, die zwischen einer äußeren Hohlwelle 201 und einer inneren Hohlwelle 301 in Nuten 22 und 32 abwälzen, die sich symmetrisch auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Quadrats befinden.
In den 4 und 5 sind jeweils eine Nut 22 und 32 aus 3 noch einmal vergrößert dargestellt. Daraus geht hervor, dass die Nuten 22 und 32 jeweils ein gotisches Profil haben. Dieses wird gebildet durch zwei Kreisbogenabschnitte 27 bzw. 37, die sich am Nutboden 28 bzw. 38 winklig treffen, d. h. unter Bildung einer Spitze analog zu einem gotischen Spitzbogen.
Die Kreisbogenabschnitte 27 und 37 haben jeweils einen Radius K1 und K2, wobei K1 = K2. Die Radienmittelpunkte M1 von K1 und M2 von K2 haben einen Abstand G voneinander, wobei sie spiegelsymmetrisch zu einer durch die Spitze 28 gehenden Spiegelachse S angeordnet sind. Der Betrag von K1 und K2 ist größer als der Radius R einer Kugel 40, die zwischen die Nuten 22 und 32 eingesetzt ist. Dadurch liegt jede Kugel 40 an genau zwei Kontaktpunkten P1 und P2 an einer Nut 22 bzw. 32 an, wie dies in 4 gezeigt ist. Dabei liegt der Betrag des Druckwinkels φ, der zwischen den Kontaktpunkten P1 und P2 bezüglich des Kugelmittelpunkts mit Radius R eingeschlossen wird, bevorzugt im Bereich zwischen 70 bis 110°.
Die Nut 22 hat eine Nutbasisfläche 29, die Nut 32 hat eine Nutbasisfläche 39. Wie aus 4 deutlich hervorgeht, steht eine Kugel 40 jeweils mit mehr als der Hälfte ihres Durchmessers 2·R über die jeweilige Nutbasisfläche 29 bzw. 32 vor. Damit ist für die Nuten 22 und 32 die weiter oben angegebene Definition einer Wälzkörperlaufbahn erfüllt, d. h. sie bilden Kugellaufbahnen für die Kugeln 40.
6 zeigt einen Rollierkopf 50 zur Herstellung einer oben beschriebenen inneren Hohlwelle 30. Der Rollierkopf 50 weist vier Rollen 52 auf, welche rotationssymmetrisch um einen Bearbeitungsdurchgang 51 herum angeordnet sind. Die Rollen 52 sind zueinander jeweils unter einem Winkel von 90° angeordnet. Jede Rolle 52 ist einem Rahmen 56 des Rollierkopfes 50 drehbar gelagert.
Der in 7 dargestellte Rollierkopf 501 zur Herstellung der oben beschriebenen äußeren Hohlwelle 20 weist einen analogen Aufbau zu dem Rollierkopf 50 zur Herstellung der inneren Hohlwelle 30 auf, mit einem Bearbeitungsdurchgang 511, Rollen 521 und einem Rahmen 561.
Den 7, 8 und 9 ist ein Profildorn 60 zu entnehmen, welcher in dem Bearbeitungsdurchgang 511 eines Rollierkopfes 501 inmitten der vier Rollen 521 angeordnet ist. Zwischen dem Profildorn 60 und den Rollen 521 ist ein Spalt bereitgestellt, so dass der Profildorn 60 entlang der Rollierachse, d. h. die durch den Bearbeitungsdurchgang 511 hindurchgehende Längsachse bewegt werden kann, ohne dass die Rollen 521 auf dem Profildorn 60 abrollen.
9 ist eine vergrößerte Ansicht des Profildorns 60 mit Vorsprüngen 62 zu entnehmen, wobei zwischen dem Profildorn 60 und den Rollen 521 ein Spalt bereitgestellt ist, welcher etwa dem Profil einer mittels des Rollierkopfes 501 herzustellenden Hohlwelle entspricht.
12 zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse der in 10 dargestellten Bearbeitungssituation, wobei ein Hohlprofil 30 zur Erzeugung einer Nut 32 der Länge L um den Betrag dieser Länge L zwischen die Rollen 52 eingeschoben ist.
Alternativ kann der Rollierkopf 50 oder 501 auch ein, zwei, drei, sechs oder mehr Rollen 52 beziehungsweise 521 aufweisen, welche unter einem entsprechenden Winkel voneinander beabstandet, umlaufend angeordnet sind.
Den 9 und 11 ist zu entnehmen, dass die Rollen 52, 521 profiliert sind und ein Rollenmittenprofil 53, 531 sowie ein Rollenrandprofil 54, 541 aufweisen.
Zur Ausbildung einer Kugellaufbahn hat das Rollenmittelprofil 53 die Form eines konvexen gotischen Profils. Dabei ist der Durchmesser des Rollenmittenprofils 53 größer als der Durchmesser des Rollenrandprofils 54.
Bei den Rollen 521 ist das Rollenmittelprofil 531 in Form eines konkaven gotischen Profils ausgebildet. Die Rollen 521 und der Profildorn 60 sind derart zueinander angeordnet, dass ein Rollenmittenprofil 531 mit einem Vorsprung 62 des Profildorns 60 korrespondiert.
9 zeigt einen Querschnitt einer Detailansicht eines Rollierkopfes 501, wobei die Rollen 521 mit einer äußeren Hohlwelle 20 in Kontakt stehen, welche auf den Profildorn 60 aufgeschoben ist. Dabei wird die äußere Hohlwelle 20 kaltgewalzt, so dass die äußere Welle 20 auf ihrer inneren Manteloberfläche das Profil des Profildorns 60 annimmt und auf ihrer äußeren Manteloberfläche 25 durch die Rollen 521 und insbesondere das Rollenprofil umgeformt wird.
Da das Rollenmittelprofil 531 im Querschnitt mit dem Vorsprung 62 des Profildorns 60 korrespondiert, wird das Material der äußeren Hohlwelle 20 durch das Rollenmittelprofil 531 auf den Vorsprung 62 des Profildorns 60 gedrückt.
Entsprechend kann eine innere Hohlwelle 30 einer Lenkwelle 10 mittels eines Rollierkopfes 50 gefertigt werden. Ein Unterschied des Rollierkopfes 50 zum Rollierkopf 501 ist, dass die Bearbeitung eines Hohlprofils, beispielsweise eines inneren Hohlprofils 30, ohne Verwendung eines Profildorns erfolgen kann. Hierzu wird ein Hohlprofil 30 leer, d. h. ohne dass sich ein Gegenwerkzeug im freien Durchgang befindet, in den Bearbeitungsdurchgang 51 des Rollierkopfes 50 eingeführt. Zur Verdeutlichung ist dies in 10 schematisch dargestellt, wobei nur die Rollen 52 eingezeichnet sind, und die übrigen Elemente des Rollierkopfes 50 weggelassen sind. Das Hohlprofil 30 wird in Pfeilrichtung zwischen den Rollen 52 hindurchgeschoben, wobei die äußere Manteloberfläche 33 durch den Profilquerschnitt der Rollen 52 zur Bildung von Nuten 32 kalt verformt wird. Die Situation ist in 11 noch einmal im Querschnitt dargestellt.
Eine alternative Ausgestaltung des anhand des Rollierkopfes 501 in den 7, 8 und 9 beschriebenen Verfahrens sieht vor, dass kein Profildorn 60 verwendet wird. Das bedeutet, dass ein äußeres Hohlprofil 20 leer kaltverformt wird, wie dies für die Herstellung eines inneren Hohlprofils 30 vorangehend bei Einsatz eines Rollierkopfes 50 beschrieben ist. Insbesondere bei relativ kleinem Hohlprofilquerschnitt ist es so möglich, als Wälzkörperlaufbahnen geeignete Nuten 22 in der inneren Manteloberfläche durch Rollieren von außen einzuformen
14 bis 16 zeigen den Bewegungsablauf einer Doppelhubbewegung zur Profilierung einer äußeren Hohlwelle 20 mittels eines Rollierkopfes 501. Dabei handelt es sich um Querschnittansichten, welche jeweils zwei gegenüberliegende Rollen 521 zeigen, wobei zwischen den Rollen 521 ein Profildorn 60 angeordnet ist, auf welchen eine äußere Hohlwelle 20 geschoben ist.
14 zeigt eine Vorhubbewegung einer äußeren Hohlwelle 20 zusammen mit dem Profildorn 60. Die äußere Hohlwelle 20 wird mit dem Profildorn 60 relativ zu den Rollen 521 bewegt. Zwischen dem Profildorn 60 und den Rollen 521 besteht kein Kontakt, so dass die Rollen 521 in einer Ruheposition verweilen. Die auf den Profildorn 60 aufgeschobene äußere Hohlwelle 20 steht in 14 noch nicht mit den Rollen 521 in Kontakt.
In 15 ist die äußere Hohlwelle 20 mitsamt dem Profildorn 60 nach wie vor in der Vorhubbewegung, mit dem Unterschied, dass nun die äußere Hohlwelle 20 mit den Rollen 521 in Kontakt steht. Der Spalt zwischen dem Profildorn 60 und den Rollen 521 ist nun von der äußeren Welle 20 ausgefüllt. Durch die Vorhubbewegung der äußeren Welle 20 gemeinsam mit dem Profildorn 60 werden die Rollen 521 in Rotation versetzt. Sie walzen auf der äußeren Umfangsoberfläche der äußeren Welle 20 ab, wodurch die äußere Hohlwelle 20 die oben beschriebene Profilierung erfährt, da die Rollen 521 im Rollenmittelprofil 531 einen geringen Abstand zum Profildorn 60 aufweisen als die noch nicht umgeformte äußere Hohlwelle 20.
Ist die gewünschte Länge der Profilierung und die damit verbundene Nutenlänge A der äußeren Welle 20 erreicht, setzt die in 16 gezeigte Rückhubbewegung ein. Die äußere Hohlwelle 20 und der Profildorn 60 bewegen sich dabei gemeinsam in Bezug auf die Vorhubbewegung in entgegengesetzte Richtung. Zwischen der äußeren Welle 20 und den Rollen 521 besteht nach wie vor Kontakt, so dass während der Rückhubbewegung auch die Rollen 521 in entgegengesetzte Richtung rotieren. Die Rückhubbewegung kann solange aufrechterhalten werden, bis die äußere Hohlwelle 20 und der Profildorn 60 den Rollierkopf 501 verlassen haben. Alternativ kann sich an die Rückhubbewegung eine erneute Vorhubbewegung anschließen, um beispielsweise die Güte der Profilierung der äußeren Welle 20 zu verbessern.
Das in den 14, 15 und 16 dargestellte Verfahren lässt sich ebenfalls zur Fertigung von Hohlwellen 20, 30 einsetzen, ohne Verwendung eines Profildorns 60. In diesem Fall werden die Hohlwellen leer zwischen die Rollen 52, 521 eines Rollierkopfes 50, 501 eingeführt.
Zur Verbesserung des Abrollens der Rollen 521 auf der zu profilierenden Welle und zur Minimierung von Fressen in den Kontaktflächen ist es denkbar und möglich, die Rollen oder die Welle auf der entsprechenden Kontaktfläche mit einem Schmierstoff zu benetzen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Lenkwelle
20, 201: äußere Hohlwelle
21: Gabel
22: Nut
23: innere Manteloberfläche
24: Ausformungen
25: äußere Manteloberfläche
26: eingeformte Bereiche
27: Kreisbogenabschnitt
28: Nutboden (Spitze)
29: Nutbasisfläche
30, 301: innere Hohlwelle
31: Gabel
32: Nut
33: äußere Manteloberfläche
37: Kreisbogenabschnitt
38: Nutboden (Spitze)
39: Nutbasisfläche
40: Kugel
50, 501: Rollierkopf
51, 511: Bearbeitungsdurchgang
52, 521: Rolle
53, 531: Rollenmittenprofil
54, 541: Rollenrandprofil
56, 561: Rahmen
60: Profildorn
80: Hülse
A: Länge einer Nut 22
L: Länge einer Nut 32
G: Abstand
K1, K2: Radius
M1, M2: Mittelpunkt
P1, P2: Kontaktpunkt
S: Spiegelachse
φ: Druckwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8460116 [0003]
DE 102008041155 A1 [0004, 0005, 0026]
EP 1693579 A2 [0005, 0026]
CH 579427 A5 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer profilierten Hohlwelle (20, 30) für eine teleskopierbare Lenkwelle (10) eines Kraftfahrzeugs, umfassend das Bereitstellen einer zu bearbeitenden Hohlwelle und eines mindestens eine Rolle (52, 521) aufweisenden Rollierkopfes (50, 501), wobei zur Erzeugung einer Nut (22, 32) in der Hohlwelle (20, 30) die Hohlwelle (20, 30) relativ zu dem Rollierkopf (50, 501) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Nut (22, 32) eine Bewegung der Hohlwelle (20, 30) relativ zu dem Rollierkopf (50, 501) ausschließlich in Richtung der Längsachse der Hohlwelle (20, 30) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (10) in Richtung der Längsachse linear wälzgelagert ist, wobei eine Nut (22, 32) in einer Hohlwelle (20, 30) als Wälzkörperlaufbahn zur Aufnahme mindestens eines abwälzbaren Wälzkörpers (40) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle als innere Hohlwelle (30) ausgebildet ist und auf ihrem Außenumfang (33) mindestens eine Wälzkörperlaufbahn (32) aufweist, die von außen von dem Rollierkopf (50) eingebracht wird, dessen Rolle (52) ein konvexes Rollierprofil entsprechend dem negativen Wälzkörperlaufbahnquerschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle als äußere Hohlwelle (20) ausgebildet ist und auf ihrem Innenumfang (23) mindestens eine Wälzkörperlaufbahn (22) aufweist, die von außen von einem Rollierkopf (501) eingebracht wird, dessen Rolle (521) ein konkaves Rollierprofil aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rolle (52, 521) im Querschnitt ein gotisches Profil aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der mindestens einen Nut (22, 32) mit einer Länge (A, L) auf der Hohlwelle (20, 30) durch eine entlang der Länge (A, L) durchgehenden Vorhubbewegung der Hohlwelle (20, 30) relativ zu dem Rollierkopf (50, 501) erfolgt, wobei die Rolle (52, 521) des Rollierkopfes (50, 501) auf der Hohlwelle (20, 30) durchgehend in Längsrichtung abrollt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Vorhubbewegung die Hohlwelle (20, 30) durch eine durchgehende Rückhubbewegung relativ zu dem Rollierkopf (50, 501) zurückgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Gesamtzahl einer Mehrzahl von in der in der Hohlwelle (20, 30) vorhandenen Nuten (22, 32) in einem gemeinsamen Arbeitsschritt mit einer durchgehenden Vorhubbewegung erfolgt.
Lenkwelle (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine innere Hohlwelle (30) und eine äußere Hohlwelle (20), welche koaxial zueinander angeordnet und gegeneinander teleskopierbar sind, wobei die innere Hohlwelle (30) und die äußere Hohlwelle (20) in Richtung der Längsachse verlaufende Wälzkörperlaufbahnen (22, 32) aufweisen, die sich jeweils radial zwischen den Wellen (20, 30) gegenüberliegen, wobei zwischen der inneren Hohlwelle (30) und der äußeren Hohlwelle (20) zumindest ein Wälzkörper (40) angeordnet ist, der auf den radial gegenüberliegenden Wälzkörperlaufbahnen (22, 32) abwälzt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Wellen (20, 30) der Lenkwelle (10) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Lenkwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest einer der Wälzkörperlaufbahnen (22, 32) der inneren Welle (30) und/oder der äußeren Welle (20) im Querschnitt gesehen ein gotisches Profil aufweist.
Lenkwelle (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wälzkörper eine Kugel (40) ist, die mit mindestens einer der Wälzkörperlaufbahnen (22, 32) an zwei Umfangspunkten (P1, P2) in Kontakt steht, unter einem Druckwinkel (ϕ), der im Bereich zwischen 70 bis 110° liegt.
Lenkwelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der innere Hohlwelle (30) und der äußere Hohlwelle (20) eine Hülse (80) angeordnet ist, wobei diese Hülse (80) den zumindest einen Wälzkörper (40) aufnimmt.