DE102016212815A1

DE102016212815A1 - Wellenverbindung einer Kraftfahrzeuglenkung sowie Lenkung für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge

Info

Publication number: DE102016212815A1
Application number: DE102016212815.9A
Authority: DE
Inventors: André Huk; Jens Rogall; Thomas Grünberg-Reichert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2018-01-18

Abstract

Die Verbindung betrifft eine Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle (10) und einem benachbart angeordneten anderen Abtriebselement (12) eines Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeuges, wobei die Abtriebswelle (10) mittels Steckverzahnung (16) formschlüssig drehfest mit dem anderen Abtriebselement (12) gekoppelt ist und wobei die Abtriebswelle (10) zusätzlich kraftschlüssig mit dem anderen Abtriebselement (12) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenverbindung einer Kraftfahrzeuglenkung, insbesondere eine Verbindung zwischen einem Lenkgetriebe-Abtriebsglied und einer Abtriebswelle einer Nutzkraftfahrzeuglenkung. Besondere Vorteile können sich bei Nutzfahrzeuglenkungen mit einem Hochübersetzungsgetriebe und/oder einem ausschließlich elektrischen Lenk-Hilfsantrieb ergeben. Bei Nutzkraftfahrzeugen werden zu Lenkzwecken häufig Drehmomente von mindestens 5000 Nm benötigt, in vielen Fällen mindestens 6000 Nm, mindestens 7000 Nm oder sogar mindestens 8000 Nm. Die Erfindung betrifft ferner eine Lenkung für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge.
Aus DE 101 13 775 A1 ist ein Lenkantrieb mit einem Lenkmotor und einem Lenkgetriebe bekannt, der ein Exzentergetriebe umfasst. Bei diesem Lenkgetriebe kämmt ein ausgangsseitiges Planetenrad in einem Hohlrad, das mit einem Drehschemel verschraubt ist.
Aus DE 10 2007 005 148 A1 ist eine Winkelüberlagerungsgetriebeeinheit einer Aktivlenkung eines Fahrzeuges mit einem Planetengetriebe bekannt, welches in bekannter Weise ein Hohlrad und einen Planetenträger umfasst. Entweder das Hohlrad oder der Planetenträger soll den Ausgang des Getriebes (Abtrieb) bilden und drehfest mit der Ausgangswelle verbunden sein. Als Beispiel für eine solche drehfeste Verbindung ist eine Verbindungsglocke beschrieben, die das Hohlrad mit der Ausgangswelle drehfest koppeln soll.
Aus DE 101 33 134 B4 ist eine zwischen zwei baulich starr verbundenen Aggregaten, insbesondere als Antriebsverbindung zwischen einem Elektromotor und einem angeflanschten Getriebe im Antrieb einer Fahrzeuglenkung, ausgebildete Wellenverbindung bekannt. Bei dieser Wellenverbindung weist der Wellenstrang, den Aggregaten zugeordnet, drehsteif miteinander verbundene Wellenteile auf, die zugehörige Lagerstellen aufweisen. Dabei sind die Wellenteile unabhängig voneinander jeweils im zugehörigen Aggregat gelagert und über eine formschlüssig nachgiebige Kupplung verbunden, wobei die Kupplung als Kupplungsglied einen Gelenkstern aufweist, dessen radiale Arme zwischen axial einander übergreifenden Klauen der Wellenteile eingreifen und von dessen Armen zumindest einer einen Längsschnitt aus elastisch nachgiebigem Material und einen Längsbereich aus formsteifen Material aufweist. Ferner hat zumindest ein Arm in seinem Längsabschnitt aus elastisch nachgiebigem Material einen Profilverlauf, der den Klauen zugewandte Flanken der Arm hat, der gegenüber dem Profilverlauf der Flanken im formsteifen Längsbereich erhaben ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Wellenverbindungen sind entweder nur bedingt für die Übertragung großer Drehmomente geeignet, zeitaufwendig herzustellen und/oder zu montieren und/oder umfassen eine Vielzahl von Einzelteilen und sind damit kompliziert aufgebaut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenverbindung für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges sowie eine Lenkung mit einer solchen Wellenverbindung zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig herstellbar und montierbar ist und eine zuverlässige und geräuscharme Drehmomentübertragung ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle und einem benachbart angeordneten anderen Abtriebselement eines Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeuges ist die Abtriebswelle mittels Steckverzahnung formschlüssig drehfest mit dem anderen Abtriebselement gekoppelt. Zusätzlich ist die Abtriebswelle kraftschlüssig mit dem anderen Abtriebselement gekoppelt. Unter einem anderen Abtriebselement wird vorliegend insbesondere ein Abtriebsflansch eines Hochübersetzungsgetriebes verstanden. Unter einem Hochübersetzungsgetriebe werden dabei insbesondere Getriebe mit einer Übersetzung von mindestens 50, bevorzugt mindestens 90 und weiter bevorzugt mindestens 200 oder mindestens 400, verstanden, wobei es sich bei der Übersetzungsangabe auch um die Gesamtübersetzung eines zwei- oder mehrstufigen Getriebes handeln kann. Eine Steckverzahnung zur Erzeugung einer formschlüssigen Drehkopplung kann kostengünstig herstellbar und leicht montierbar gestaltet sein. Ferner können die Abtriebswelle und das Abtriebselement bei einer Steckverzahnung durch einfaches Aufstecken miteinander verbunden werden, insbesondere wenn die beiden Elemente eine zylindrische Grundform aufweisen und die Steckverbindung zumindest geringfügig spielbehaftet ausgelegt ist. Eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung kann ebenfalls einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dies wird in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen und der Figurenbeschreibung im Folgenden erläutert. Durch den zusätzlichen Kraftschluss mittels der kraftschlüssigen Verbindung kann ein etwaiges Spiel, das insbesondere bei Drehrichtungsumkehr zu einer Geräuschbildung (Klacken) führen kann, eliminert werden, wodurch eine geräuscharme Wellenverbindung geschaffen wird.
Die kraftschlüssige Kopplung ist vorzugsweise zumindest bei bestimmungsgemäßem Gebrauch einer Lenkung wirksam. Sie kann auch – in einer besonders einfachen und kostengünstigen Variante – so ausgelegt sein, dass sie bewusst nur bei bestimmungsgemäßem Gebrauch (ggf. zuzüglich eines Sicherheitsfaktors) wirksam ist und bei Überschreitung eines Grenzwertes für den bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht mehr wirksam ist, so dass akustische Auffälligkeiten wie das vorstehend erwähnte Klacken bei Drehrichtungsumkehr, toleriert werden. Als maximales Drehmoment, für welches die kraftschlüssige Verbindung einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ausgelegt sein kann, wird beispielsweise auf ein Drehmoment von maximal 200 Nm verwiesen, bevorzugt auf ein Drehmoment von maximal 250 Nm und besonders bevorzugt auf ein Drehmoment von maximal 300 Nm. Derartige Drehmomente wirken insbesondere in einem Handlenkpfad bei manueller Betätigung einer Lenkung durch einen Fahrzeugführer im Bereich einer Abtriebswelle, wenn die Lenkwelle in bekannter Weise über eine Kugelgewindemutter, einen Zahnstangenabschnitt und damit kämmendes Zahnsegment einer Abtriebswelle funktional verbunden ist. Bei höheren Drehmomenten, wie sie beispielsweise bei zusätzlicher Wirkung einer Lenkhilfs-Antriebsvorrichtung auf die Abtriebswelle oder für Testanforderungen (z.B. ECE-R 79 Test oder Bruchmomententest) auftreten können, kann das Drehmoment in diesem Fall ausschließlich über die formschlüssige Verbindung übertragen werden. In diesem Fall profitiert eine erfindungsgemäße Lenkung jedoch von der durch die kraftschlüssige Verbindung bewirkten Vorspannung und einer dadurch bewirkten Dämpfung einer etwaigen Bewegung innerhalb eines Spiels der formschlüssigen Verbindung, wodurch ein Klacken vollständig verhindert oder akustisch signifikant gedämpft wird, so dass es nicht oder zumindest nicht als störend wahrgenommen wird.
Die Montage und Demontage der Abtriebswelle mit dem Abtriebselement zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung ist besonders einfach und kann bedarfsweise auch manuell erfolgen, wenn die formschlüssige Verbindung als Steckverzahnung zumindest geringfügig spielbehaftet ausgelegt ist. Auf die Verwendung spezieller Werkzeuge für die Montage und auch Demontage, insbesondere für Reparatur- und Wartungszwecke, wie beispielsweise Aufpresswerkzeuge, kann in diesem Fall verzichtet werden.
In einer praktischen Ausführungsform kann zur Herstellung der zusätzlichen kraftschlüssigen Kopplung ein separates Spannmittel in zumindest teilweise axialer Richtung in ein Element der Abtriebswelle eingebracht werden. Unter dem Begriff Einbringen wird vorliegend sowohl die Variante verstanden, dass das Spannmittel in die Abtriebswelle eingeschraubt wird, als auch die Variante, dass das Spannmittel lediglich durch einen Schlitz oder eine Öffnung der Abtriebswelle geführt wird, um eine Klemmkraft auszuüben, die beispielsweise durch Einschrauben in oder sonstiges Befestigen an einem anderen Bauteil erzeugt wird. Geeignete Spannmittel sind kostengünstig als Standardbauteile verfügbar sowie einfach und intuitiv zu montieren.
So kann als ein besonders kostengünstiges Standard-Spannelement beispielsweise eine Schraube verwendet werden. Insbesondere kann eine Schraube in das Abtriebselement und/oder in die Abtriebswelle eingeschraubt werden, wenn ein entsprechendes Gewinde in dem jeweiligen Element ausgebildet ist. Auch Bauteile umspannende Schrauben-Mutter-Verbindungen sind möglich. Besonders bauraumminimierend ist das Einschrauben einer Schraube stirnseitig in eine Abtriebswelle und/oder in ein Abtriebselement, weil dann – insbesondere wenn der Schraubenkopf im montierten Zustand überwiegend oder vollständig in einer entsprechenden Öffnung versenkt ist – praktisch kein zusätzlicher Bauraumbedarf erforderlich ist.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist an dem Spannmittel eine großflächige, insbesondere scheibenartig ausgebildete, Anpressfläche ausgebildet, und/oder das Spannmittel wirkt zusammen mit einem separaten Anpresselement auf eine sich zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in radialer Richtung erstreckende Fläche des Abtriebselementes. Die Anpressfläche kann beispielsweise als überdimensioniert großer Schraubenkopf einer Schraube ausgebildet sein, insbesondere indem die Anpressfläche des Schraubenkopfes mehr als das 3-fache, 4-fache oder 5-fache der Querschnittsfläche des Gewindeabschnitts der Schraube entspricht. Alternativ oder in Ergänzung dazu, kann eine großflächige Anpressfläche mittels eines separaten Anpresselementes zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise indem eine kreisringförmige Scheibe zwischen einem Schraubenkopf und einer sich in überwiegend in radialer Richtung erstreckenden Fläche und/oder einer rein radialen Stirnseite des Abtriebselementes angeordnet ist und durch Festziehen einer Schraube mittels Schraubenkopf an die Fläche bzw. Stirnseite angepresst wird.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die Abtriebswelle in einem Abschnitt, in welchem sich die Abtriebswelle und das Abtriebselement in axialer Richtung betrachtet überlappen, in axialer Richtung konisch ausgebildet, d.h. der Durchmesser der Abtriebswelle ist zumindest in einem Teilbereich in axialer Richtung sich verjüngend oder sich vergrößernd ausgebildet. Insbesondere ist in diesem Fall eine sich überlappende Anordnung derart möglich, dass eine innere Umfangsfläche des Abtriebselements mit einer äußeren Umfangsfläche der Abtriebswelle vollflächig zur Anlage gebracht wird. Vorzugsweise ist das andere Abtriebselement komplementär konisch zu der Abtriebswelle ausgebildet, d.h. die Außenkontur der Abtriebswelle und die Innenkontur des anderen Abtriebselements liegen zumindest in einem Teilbereich aneinander an. Die Montage zwischen Abtriebswelle und Abtriebselement kann auch in diesem Fall durch einfaches, bedarfsweise auch manuelles, Zusammenstecken erfolgen, weil dazu nur geringe Kräfte erforderlich sind. Mittels eines Spannmittels und einer Erhöhung der Spannkraft kann nach dem Zusammenstecken eine gewünschte Klemmkraft erzeugt werden, um den Kraftschluss zu erhöhen.
Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Abtriebswelle und Abtriebselement kann alternativ oder in Ergänzung zu Vorstehendem ebenfalls dadurch hergestellt werden, dass an der Abtriebswelle und/oder an dem Abtriebselement in einem Verbindungsbereich mindestens ein elastisch in radialer Richtung aufweitbares Kragenelement ausgebildet ist. In diesem Fall kann die kraftschlüssige Kopplung, insbesondere durch radiales Anpressen eines oder mehrerer Kragenelemente einer Abtriebswelle, von innen an eine innere Umfangswand eines anderen Abtriebselements hergestellt werden. Als Spreizelement kann insbesondere ein kegelstumpfartig ausgebildetes, separates Element vorgesehen sein, das durch Ausübung einer zumindest teilweise in axialer Richtung der Abtriebswelle wirkenden Spannkraft ein kreisringförmiges Kragenelement oder mehreren segmentartig, insbesondere kreissegmentförmig, ausgebildete Kragenelemente von innen in radialer Richtung nach außen gegen die innere Umfangswand eines Abtriebselements presst.
Die Erfindung betrifft auch Wellenverbindungen, bei welchen an sich zumindest teilweise in radialer Richtung erstreckenden Flächen der Abtriebswelle und des Abtriebselements eine Verzahnung zur Herstellung einer formschlüssigen, drehfesten Verbindung zwischen einer radialen Fläche des Abtriebselements und einer radialen Fläche der Abtriebswelle ausgebildet ist, wobei die Verzahnung mittels mindestens eines zumindest teilweise in axialer Richtung wirkenden Spannelements in Drehrichtung spielfrei eingestellt ist. In diesem Fall wird mittels einer auf zumindest teilweise radialen Flächen ausgebildeten Verzahnung eine formschlüssige Verbindung zwischen Abtriebswelle und Abtriebselement ermöglicht und mittels eines kraftschlüssig wirkenden Spannmittels, wie beispielsweise mittels einer Schraube (oder mehreren Schrauben), die Verzahnung spielfrei eingestellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich wie vorstehend beschriebene Wellenverbindungen nicht nur für die Anbindung eines Abtriebselementes eines Hochübersetzungsgetriebes einer Lenk-Hilfsvorrichtung an einer Abtriebswelle eignet, sondern auch für eine neuartige Anbindung eines Pitmanarmes an eine Abtriebswelle. Das Abtriebselement kann daher auch ein Pitmanarm sein. Die Art der Wellenverbindung, insbesondere eine wie nachfolgend noch in Verbindung mit 7 erläuterte Wellenverbindung mit Stirnverzahnung, ermöglicht es, die Zahl der benötigten Spannelemente, insbesondere Schrauben, für eine drehfeste Verbindung zwischen einem Pitmanarm und der Abtriebswelle deutlich zu reduzieren, da Belastung der Spannelemente in Drehrichtung aufgrund der wirkenden Verzahnung signifikant reduziert ist.
Bei den vorstehend genannten radialen Flächen an dem Abtriebselement bzw. an der Abtriebswelle kann es sich insbesondere um einander unmittelbar gegenüberliegende (z.B. kreisringförmig ausgebildete) Stirnseiten des Abtriebselementes und der Abtriebswelle handeln. Die Verzahnung kann auch eine Mikroverzahnung sein, insbesondere in Form von rauen, sich in Drehrichtung miteinander verzahnenden Oberflächen mit einer Rauheit bzw. Zahnflankenhöhe oder einem Ra-Wert von nur wenigen µm, beispielsweise 10 µm, 50 µm oder 100 µm. Solche Oberflächen können insbesondere durch Lasern, Schleifen, oder sonstige geeignete Methoden hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle und einem benachbart angeordneten anderen Abtriebselement eines Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeuges, bei welcher die Abtriebswelle drehfest mit dem anderen Abtriebselement gekoppelt ist, wobei die drehfeste Verbindung durch Warmfügen als Querpressverband hergestellt ist. Insbesondere können dazu das Abtriebselement und/oder die Abtriebswelle teilweise erwärmt bzw. abgekühlt werden – bedarfsweise auch nur lokal in einem Verbindungsbereich, in welchem sich das Abtriebselement und die Abtriebswelle nach der Montage in axialer Richtung überlappen sollen –, wodurch ein spielbehaftetes Zusammenführen (zur Montage) ermöglicht wird. Nach dem Wiederangleichen der Temperaturen von Abtriebswelle und dem anderen Abtriebselement auf Umgebungstemperatur ergibt sich dann eine spielfreie, kraftschlüssige Pressverbindung.
Es wird darauf hingewiesen, dass in Verbindung mit einem Querpressverband optional auch zusätzlich eine formschlüssige Verbindung mittels Steckverzahnung realisiert sein kann, so dass wiederum eine formschlüssige und eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Lenkung für Kraftfahrzeuge mit einer wie vorstehend beschriebenen Wellenverbindung wobei die Lenkung einen Elektromotor mit einem Hochübersetzungsgetriebe und eine Abtriebswelle mit einem drehfest mit der Abtriebswelle gekoppelten Pitmanarm umfasst und wobei die Wellenverbindung zwischen einem Abtriebselement des Hochübersetzungsgetriebes und zwischen der Abtriebswelle realisiert ist. Derartige Lenkungen können insbesondere für Nutzfahrzeuge geeignet sein.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer solchen Lenkung ist die Abtriebswelle über einen Zahnsegmentabschnitt und eine Kugelgewindemutter funktional mit einer Lenkwelle gekoppelt, über welche ein Handlenkmoment eines Fahrers auf die Abtriebswelle übertragen wird. Die Wellenverbindung eignet sich insbesondere in Verbindung mit einer Exzenterscheibe eines Exzentergetriebes eines Hochübersetzungsgetriebes, wobei die Exzenterscheibe ausgangsseitig des Hochübersetzungsgetriebes als unmittelbares Verbindungselement zur Abtriebswelle angeordnet ist.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle und einem Abtriebselement in einer perspektivischen Ansicht,
2 die Wellenverbindung aus 1 in einer Schnittdarstellung durch die Rotationsachse R der Abtriebswelle,
3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung in einer Schnittdarstellung durch die Rotationsachse R der Abtriebswelle,
4 den mit IV gekennzeichneten Bereich aus 3 in einer vergrößerten Darstellung,
5 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung in einer Schnittdarstellung durch die Rotationsachse R der Abtriebswelle,
6a das Abtriebselement aus 5 in einer Vorderansicht,
6b das Abtriebselement aus 6a zusammen mit einer Abtriebswelle in einer Schnittdarstellung gemäß Linie VIb-VIb aus 6a,
7 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung in einer Schnittdarstellung durch die Rotationsachse R der Abtriebswelle, und
8 einen Ausschnitt einer Steckverzahnung in einer Vorderansicht.
In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle 10 und einem Abtriebselement 12 dargestellt. Die Abtriebswelle 10 ist Teil einer sogenannten Pitmanarmlenkung für Nutzfahrzeuge und drehfest mit einem Pitmanarm (in den 1 und 2 nicht dargestellt) verbunden.
An der Abtriebswelle 10 ist ein Zahnsegmentabschnitt 66 ausgebildet, welcher mit einer in 2 nur schematisch dargestellten Kugelgewindemutter 68 funktional verbunden ist. Die Verbindung erfolgt über einen in 2 nicht im Detail dargestellten Zahnstangenabschnitt der Kugelgewindemutter 68. Dieser Zahnstangenabschnitt kämmt mit dem Zahnsegmentabschnitt 66.
Durch eine translatorische Bewegung der Kugelgewindemutter 68 in axialer Richtung entlang einer nicht dargestellten Lenkwelle kann die Abtriebswelle 10 mit Hilfe des Zahnsegmentabschnitt 66 rotatorisch bewegt, d.h. verschwenkt werden.
Über die (nicht dargestellte) Lenkwelle kann ein Handlenkmoment eines Fahrzeugführers manuell eingeleitet und mit Hilfe der Kugelgewindemutter 68 und dem Zahnsegmentabschnitt 66 mittels einer 2-stufigen Übersetzung auf die Abtriebswelle 10 übertragen werden. Als erste Übersetzungsstufe dieses Handlenkpfades dient ein Kugelgewindetrieb mit der nicht dargestellten Lenkstange und der Kugelgewindemutter 68. Als zweite Übersetzungsstufe dient das Zahnstangengetriebe mit dem nicht dargestellten Zahnstangenabschnitt und dem Zahnsegmentabschnitt 66.
Das in den 1 und 2 dargestellte Abtriebselement 12 ist Teil eines nicht dargestellten Hochübersetzungsgetriebes. Bei dem Hochübersetzungsgetriebe handelt es sich insbesondere um ein mindestens zweistufiges Getriebe mit mindestens einem Stirnradgetriebe und mindestens einem Exzentergetriebe in Form eines Zykloidgetriebes, wobei das Hochübersetzungsgetriebe der Übertragung eines von einem nicht dargestellten Elektromotor bereitgestellten Hilfsmoment auf die Abtriebswelle zur Unterstützung der Lenkbewegung dient. Bei dem dargestellten Abtriebselement 12 handelt es sich um die Abtriebsscheibe eines wie vorstehend beschriebenen Hochübersetzungsgetriebe mit Stirnradgetriebe und Zykloidgetriebe, wobei die Abtriebsscheibe Teil des Zykloidgetriebes ist. Wie in 2 erkennbar ist, weist das Abtriebselement 12 in der gezeigten Ausführungsform eine zentrale Durchgangsöffnung zum (zumindest teilweisen) Einführen der Abtriebswelle 10 auf.
In der in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform sowie in den in den 3, 4 und 7 dargestellten Ausführungsformen überlappen sich die Abtriebswelle 10 sowie das Abtriebselement 12 zumindest teilweise in axialer Richtung in einem Verbindungsbereich 14. Zumindest über einen Teil der Länge dieses Verbindungsbereiches 14 ist jeweils eine Steckverzahnung (nicht dargestellt) zur formschlüssigen, drehfesten Kopplung der Abtriebswelle 10 mit dem Abtriebselement 12 ausgebildet.
Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist einstückig mit der Abtriebswelle 10 eine sich in radialer Richtung nach außen erstreckende flanschartige Kragenfläche 18 ausgebildet, welche in der gezeigten Ausführungsform als ungefähr halbkreisförmiges Kreisringsegment ausgebildet ist. In der Kragenfläche 18 sind mehrere Durchgangsöffnungen 20 ausgebildet. Durch diese Durchgangsöffnungen 20 können nicht dargestellte Spannmittel, insbesondere in Form von Schrauben, geführt und in axialer Richtung mit dem Abtriebselement 12 verbunden werden, um die Kragenfläche 18 an die benachbarte Stirnseite 24 des Abtriebselements 12 zu pressen. Dazu muss der Kopf einer verwendeten Schraube (nicht dargestellt) einen größeren Durchmesser aufweisen als die Durchgangöffnungen 20. Durch das Verspannen der Kragenfläche 18 mit der Stirnseite 24 des Abtriebselements 12, beispielsweise mit Hilfe einer Schraube, wird – unabhängig von einem zusätzlichen in Drehrichtung wirkenden Formschluss durch die Schraube – eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Abtriebswelle 10 und Abtriebselement 12 hergestellt. Ein etwaiges Spiel der nicht dargestellten Steckverzahnung in dem Verbindungsbereich 14 kann so – zumindest bis zu einem bestimmten Drehmoment – vollständig eliminiert werden.
Die in 1 gezeigte Geometrie der Kragenfläche 18 sowie die Zahl und Anordnung der Spannmittel kann im Ermessen des Fachmannes bedarfsweise variiert werden. Beispielsweise kann die Kragenfläche 18 auch als vollständig umlaufendes Kreisringsegment oder nur als einfache Lasche, d.h. sich nur über ein deutlich kleineres Kreissegment erstreckend, gestaltet sein.
Die in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lenkung kann mit einem nicht dargestellten Hochübersetzungsgetriebe kombiniert sein, bei welchem das Abtriebselement 12 eine erste von zwei Abtriebsscheiben eines Zykloidgetriebes mit vorgeschaltetem Stirnradgetriebe ist, wobei die Abtriebsscheiben drehfest miteinander verbunden sind und wobei ein Hilfsmoment einer Lenkhilfs-Antriebsvorrichtung bedarfsweise von einem dem Hochübersetzungsgetriebe vorgeschalteten, nicht dargestellten Elektromotor bereitgestellt wird. In diesem Fall wirken die eingangs genannten hohen Drehmomente von bis zum 8000 Nm im Bereich der formschlüssigen und kraftschlüssigen Verbindung in der Regel nur in Ausnahmesituationen, insbesondere während der Durchführung eines sogenannten Bruchmomententests oder bei Ausfall der Lenkhilfs-Antriebsvorrichtung und der Einleitung sehr großer Lenkmomente über den Handlenkpfad.
Im Folgenden werden in Verbindung mit den 3–8 weitere Ausführungsformen beschrieben. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsformen werden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform.
In den 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung dargestellt.
In 3 ist am linken axialen Ende der Abtriebswelle 10 ansatzweise ein Pitmanarm 38 erkennbar, der über eine angedeutete Verzahnung drehfest mit der Abtriebswelle 10 verbunden ist. Der Pitmanarm 38 ist hier horizontal in die Blattebene hineinragend ausgerichtet und ist daher von der Abtriebswelle 10 verdeckt. Der Pitmanarm 38 dient in bekannter Weise der Anlenkung lenkbarer Räder eines nicht dargestellten Nutzfahrzeuges. Er ist ausgehend von einer Neutralstellung um ca. 50° (+/–10°) in beide Richtung verschwenkbar.
Auch in dieser Ausführungsform ist in einem Verbindungsbereich 14 zwischen einer Außenfläche der Abtriebswelle 10 und einer benachbarten Innenfläche des Abtriebselement 12 eine in 3 und 4 nicht dargestellte Steckverzahnung zur formschlüssigen, drehfesten Kopplung ausgebildet.
Zur Herstellung einer zusätzlichen kraftschlüssigen Kopplung ist in dieser Ausführungsform eine äußere Umfangsfläche 26 der Abtriebswelle 10 in axialer Richtung konisch ausgebildet, hier sich in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R nach rechts linear verjüngend. Komplementär dazu, d.h. mit dem gleichen Verjüngungswinkel, ist eine innere Umfangsfläche 28 des Abtriebselements 12 ebenfalls konisch ausgebildet, hier sich in axialer Richtung entlang der Rotationsachse R nach rechts verjüngend.
In der Stirnseite 34 der Abtriebswelle ist eine sich in axialer Richtung der Abtriebswelle 10 erstreckende Öffnung für eine als Spannmittel 22 dienende Schraube 30 ausgebildet. Durch Eindrehen der Schraube 30 wird ein zwischen einem Kopf der Schraube 30 und dem Abtriebselement 12 angeordnetes Anpresselement 32 (hier in Form einer Scheibe 64) gegen das Abtriebselement 12 gespannt. Dazu ist die Scheibe 64 derart angeordnet, dass sie flächig auf einer sich in radialer Richtung erstreckenden Fläche 36 des Abtriebselements 12 aufliegt. Die Anordnung ist so ausgelegt, dass durch die von der Schraube 30 und dem Anpresselement 32 erzeugte Klemmkraft die konisch ausgebildeten Umfangsflächen 26, 28 aneinander gepresst werden und zwischen der Scheibe 64 und der Stirnseite 24 der Abtriebswelle 10 ein Spalt 40 verbleibt. Dementsprechend dienen als Kontaktflächen für die kraftschlüssige Kopplung zwischen Abtriebswelle 10 und dem Abtriebselement 12 die sich in Axialrichtung der Abtriebswelle 10 und in Umfangsrichtung erstreckende Außen-Umfangsfläche der Abtriebswelle 10 und die diese umgebende Außen-Umfangsfläche des Abtriebselements 12. Der Kontaktbereich zwischen Abtriebswelle 10 und Abtriebselement 12 ist damit relativ groß. Der Kontaktbereich kann bei Bedarf durch Verlängerung des Verbindungsbereichs 14, insbesondere in axialer Richtung, konstruktiv weiter vergrößert werden.
Die in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lenkung kann mit einem nicht dargestellten Hochübersetzungsgetriebe kombiniert sein, bei welchem das Abtriebselement 12 eine erste von zwei Abtriebsscheiben eines Zykloidgetriebes mit vorgeschaltetem Stirnradgetriebe ist, wobei die Abtriebsscheiben drehfest miteinander verbunden sind und wobei ein Hilfsmoment einer Lenkhilfs-Antriebsvorrichtung bedarfsweise von einem dem Hochübersetzungsgetriebe vorgeschalteten, nicht dargestellten Elektromotor bereitgestellt wird. In diesem Fall wirken die eingangs genannten hohen Drehmomente von bis zum 8000 Nm im Bereich der formschlüssigen und kraftschlüssigen Verbindung regelmäßig bei voller Lenkmomentenunterstützung einer Lenkbewegung mittels der Lenkhilfsvorrichtung.
In 5 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung dargestellt.
Auch bei dieser Ausführungsform wird ein Handlenkmoment eines Fahrzeugführers über eine nur ansatzweise erkennbare Kugelgewindemutter 68 und einen Zahnsegmentabschnitt 66 auf die Abtriebswelle 10 übertragen.
Die Abtriebswelle 10 ist in dieser Ausführungsform drehfest mit einem flanschartig ausgebildeten Kupplungsbereich 70 verbunden. Dieser Kupplungsbereich 70 kann einstückig mit der Abtriebswelle 10 ausgebildet oder separat hergestellt und drehfest mit der Abtriebswelle 10 verbunden sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kupplungsbereich 70 ein separat hergestelltes Bauteil, das drehfest mit der Abtriebswelle 10 verbunden ist.
Im Bereich einer sich in radialer Richtung und sich in Umfangsrichtung erstreckenden Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70, welcher zu der Stirnseite 34 eines benachbart angeordneten Abtriebselements 12 eines Exzentergetriebes (nicht dargestellt) orientiert ist, ist an der Stirnseite 34 des Abtriebselements 12 und an der Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70 ist jeweils eine Verzahnung (Stirnverzahnung) ausgebildet, deren Zahnflanken sich in radialer Richtung erstrecken. Um dies auch in der Darstellung in 5 erkennen zu können, ist das Abtriebselement 12 in 5 in dem in radialer Richtung betrachtet äußeren Bereich nicht im Schnitt, sondern in einer nicht geschnittenen Seitensicht dargestellt. Der in radialer Richtung betrachtet innere Bereich mit als Spannmittel 22 dienenden Schrauben 30 ist geschnitten und folglich mit Schraffur dargestellt.
Über mehrere, als Spannmittel 22 dienenden Schrauben 30, von denen in 5 zwei erkennbar sind, sind die Verzahnungen derart miteinander verspannt, dass die Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70 und die Stirnseite 34 des Abtriebselements 12 spielfrei verzahnt und drehfest gekoppelt zueinander angeordnet sind.
In 6a ist die Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70 in einer Frontalansicht auf die Verzahnung dargestellt. In 6b sind die Verzahnungen im Bereich der Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70 und der Stirnseite 34 des Abtriebselements 12 aus 5 in einem nur wenige Zähne zeigenden Ausschnitt im verspannten Zustand in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Wie aus 6a erkennbar ist, ist die Verzahnung im Bereich der Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70 über einen kreisringförmigen Abschnitt gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet. Dabei sind die Stirnseite 72 des Kupplungsbereichs 70 und die Stirnseite 36 des Abtriebselements 12 derart zueinander angeordnet und miteinander verspannt, dass sich jeweils in axialer Richtung der Abtriebswelle 10 erstreckende Zähne 44, 46 des Kupplungsbereichs 70 bzw. des Abtriebselements 12 ineinandergreifend und miteinander verspannt in Drehrichtung der Abtriebswelle 10 spielfrei angeordnet sind.
Über den Winkel der Zahnflanken und die Zahneingriffstiefe kann die Reibung ausgelegt werden. Je steiler die Flanken sind und je größer die Zahneingriffstiefe ist, desto größer sind übertragbaren Drehmomente. Als Modul für die in den 6a und 6b gezeigte Verzahnung geeignet sind insbesondere Werte zwischen 0,5 und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2 mm.
7 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung. In dieser Ausführungsform sind die Abtriebswelle 10 und das Abtriebselement 12 ebenfalls in einem Verbindungsbereich 14, in dem sich die Abtriebswelle 10 und das Abtriebselement 12 in axialer Richtung überlappen, zumindest teilweise (d.h. zumindest über einen Teil der sich in Axialrichtung der Abtriebswelle 10 erstreckenden Länge) über eine nicht dargestellte Steckverzahnung formschlüssig in Drehrichtung gekoppelt. An der Stirnseite 34 der Abtriebswelle 10 ist ein in axialer Richtung gegenüber einem zentralen Bereich der Abtriebswelle 10 im Bereich der Rotationsachse R hervorragendes Kragenelement 48 ausgebildet. Das Kragenelement 48 ist elastisch in radialer Richtung aufweitbar, insbesondere nach außen. Mit Hilfe eines Spreizelements 50, hier in Form eines konisch (hier: kegelstumpfartig) ausgebildeten Elements 52, kann das Kragenelement 48 in radialer Richtung nach außen gegen die innere Umfangswand 28 des Abtriebselements 12 gespannt werden. Dazu wird in der gezeigten Ausführungsform ein Spannmittel 22, hier in Form einer Schraube 30 dargestellt, in das Kragenelement 48 eingeschraubt.
Das Kragenelement 48 ist hier als geschlossenes kreisringförmiges Element ausgebildet. Es kann alternativ beispielsweise auch nur aus einem oder mehreren Kreisringsegmenten bestehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Verbindungsbereich 14 auch – anders als in 7 dargestellt – in axialer Richtung beabstandet zu einem Kragenelement 48 ausgebildet bzw. angeordnet sein kann, insbesondere wenn sich das Abtriebselement 12 über einen größeren axialen Abschnitt der Abtriebswelle 10 erstreckt als das Kragenelement 48.
In 8 ist ein Ausschnitt einer in dem Verbindungsbereich 14 ausgebildeten Steckverzahnung 16 zwischen der Abtriebswelle 10 und dem Abtriebselement 12 dargestellt, wie sie Gegenstand der Steckverbindungen in den Ausführungsformen der 1–4 und 7 sein kann. Im Bereich der Steckverzahnung 16 sind an der Abtriebswelle Zähne 54 und an dem Abtriebselement 12 Zähne 56 ausgebildet. Die Zähne 54, 56 erstrecken sich in Umfangsrichtung und in radialer Richtung. Wie zu erkennen ist, ist aufgrund der sichtbaren Zwischenräume 62 ein geringfügiges Spiel zwischen den Zähnen 54, 56 vorgesehen, um ein Montieren der Steckverzahnung durch axiales Zusammenstecken von Abtriebswelle 10 und Abtriebselement 12 zu ermöglichen. Die Steckverzahnung 18 ist mindestens als Spielpassung ausgelegt. Mit den beschriebenen Maßnahmen, die auch miteinanander kombinierbar sind, kann das Spiel durch Erzeugung eines Kraftschlusses eliminiert werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Abtriebswelle
12: Abtriebselement
14: Verbindungsbereich
16: Steckverzahnung
18: Kragenfläche
20: Bohrung
22: Spannmittel
24: Stirnseite des Abtriebselements
26: äußere Umfangsfläche der Abtriebswelle
28: innere Umfangsfläche des Abtriebselements
30: Schraube
32: Anpresselement
34: Stirnseite der Abtriebswelle
36: sich in radialer Richtung erstreckende Fläche
38: Pitmanarm
40: Spalt
42: Stirnverzahnung
44: Zahn
46: Zahn
48: Kragenelement
50: Spreizelement
52: konisch ausgebildetes Element
54: Zahn
56: Zahn
58: Lücke
60: Lücke
62: Zwischenräume
64: Scheibe
66: Zahnsegmentabschnitt
68: Kugelgewindemutter
70: Kupplungsbereich
72: Stirnseite des Kupplungsbereichs

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 10113775 A1 [0002]
DE 102007005148 A1 [0003]
DE 10133134 B4 [0004]

Claims

Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle (10) und einem benachbart angeordneten anderen Abtriebselement (12) eines Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeuges, wobei die Abtriebswelle (10) mittels Steckverzahnung (16) formschlüssig drehfest mit dem anderen Abtriebselement (12) gekoppelt ist und wobei die Abtriebswelle (10) zusätzlich kraftschlüssig mit dem anderen Abtriebselement (12) gekoppelt ist.
Wellenverbindung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung mittels Steckverzahnung (16) als zumindest geringfügig spielbehaftete Verbindung ausgelegt ist.
Wellenverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der zusätzlichen kraftschlüssigen Kopplung ein separates Spannmittel (22) in zumindest teilweise axialer Richtung in ein Element der Abtriebswelle (10) eingebracht wird.
Wellenverbindung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannmittel (22) eine Schraube (30) vorgesehen ist.
Wellenverbindung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Spannmittel (22) eine Anpressfläche ausgebildet ist und/oder dass das Spannmittel (22) mit einem separaten Anpresselement (32) auf eine sich zumindest in radialer Richtung erstreckende Stirnseite (24) des Abtriebselements (12) wirkt.
Wellenverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (10) in einem Abschnitt, in welchem sich die Abtriebswelle (10) und das Abtriebselement (12) in axialer Richtung betrachtet überlappen, in axialer Richtung konisch ausgebildet ist.
Wellenverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abtriebswelle (10) und/oder an dem Abtriebselement (12) in einem Verbindungsbereich (14) mindestens ein, elastisch in radialer Richtung aufweitbares Kragenelement (48) ausgebildet ist, das durch Zusammenwirken mit einem Spreizelement (50) eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Abtriebswelle (10) und Abtriebselement (12) herstellt.
Wellenverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an sich zumindest teilweise in radialer Richtung erstreckenden Flächen der Abtriebswelle (10) und des Abtriebselements (12) eine Verzahnung zur Herstellung einer formschlüssigen drehfesten Verbindung zwischen einer radialen Fläche des Abtriebselements (12) und einer radialen Fläche der Abtriebswelle (10) ausgebildet ist, wobei die Verzahnung mittels mindestens eines zumindest teilweise in axialer Richtung wirkenden Spannmittels (22) in Drehrichtung spielfrei eingestellt ist.
Wellenverbindung zwischen einer Abtriebswelle (10) und einem benachbart angeordneten anderen Abtriebselement (12) eines Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeuges, wobei die Abtriebswelle (10) drehfest mit dem anderen Abtriebselement (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung durch Warmfügen als Querpressverband hergestellt ist.
Lenkung für Kraftfahrzeuge mit einer Wellenverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkung einen Elektromotor mit einem Hochübersetzungsgetriebe und eine Abtriebswelle (10) mit einem drehfest mit der Abtriebswelle (10) gekoppelten Pitmanarm (38) umfasst, wobei die Wellenverbindung zwischen einem Abtriebselement (12) des Hochübersetzungsgetriebes und zwischen der Abtriebswelle (10) realisiert ist.