DE102019100139A1

DE102019100139A1 - Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019100139A1
Application number: DE102019100139.0A
Authority: DE
Inventors: Maria Hildebrand
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2020-07-09

Abstract

Eine Lenkwelle (10) für ein Kraftfahrzeug ist beschrieben, die eine Innenwelle (14) sowie eine die Innenwelle (14) umgebene Außenwelle (16) umfasst. Die Innenwelle (14) und die Außenwelle (16) sind miteinander drehfest gekoppelt und translatorisch zueinander verstellbar. In einem ersten Abschnitt (18) der Lenkwelle (10) ist ein Kugellager (22) mit einer Kugelrückführung (24) vorgesehen. In einem zweiten, an den ersten Abschnitt (18) anschließenden Abschnitt (20) ist eine Formschlussrückfalleinrichtung (26) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, die auch als Kraftfahrzeuglenkwelle bezeichnet werden kann. Insbesondere handelt es sich bei der Lenkwelle um eine Lenkzwischenwelle oder eine Lenksäulenwelle.
Aus dem Stand der Technik sind Lenkwellen bekannt, die bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen und eine Teleskopfunktion aufweisen, sodass die Lenkwelle bzw. das die Lenkwelle umfassende Lenksystem verstaubar ist, wie dies bei einer als Lenksäulenwelle vorgesehene Lenkwelle der Fall ist. Dies bedeutet, dass die axiale Länge der Lenkwelle, also der Lenksäulenwelle, verändert werden kann, beispielsweise bei einem zumindest teilweise autonom fahrenden Kraftfahrzeug. Die Teleskopfunktion der Lenkwelle ist auch bei Kraftfahrzeugen von Bedeutung, die eine entsprechende Zusatzfunktion zur Einstellung der Tiefe des Lenkrads haben, was über die Verstellung der Lenkwelle entsprechend möglich ist.
Auch eine als Lenkzwischenwelle ausgebildete Lenkwelle kann eine Teleskopfunktion aufweisen, da sie bei einem Unfall zusammenfährt, sodass die vordere Achse unter dem Fahrzeugführer durchtauchen kann. Ebenso verändert die Lenkzwischenwelle ihre axiale Länge, wenn eine Lenkradhöhenverstellung betätigt wird, also das Lenkrad in seiner Höhe verstellt wird. Die veränderte Höhe des Lenkrads erfordert eine entsprechend angepasste axiale Länge der Lenkzwischenwelle. Zudem wird über die Teleskopfunktion der Lenkzwischenwelle die Montage der Lenkzwischenwelle vereinfacht, da sie im zusammengeschobenen Zustand montiert wird. Des Weiteren lassen sich hierüber Fertigungs- und Einbautoleranzen in einfacher Weise ausgleichen. Dies gilt in analoger Weise für die Kompensation von Fahrbahnunebenheiten.
Üblicherweise wird die Teleskopfunktion über eine Lenkwelle bereitgestellt, die eine Innenwelle und eine Hohl- bzw. Außenwelle aufweist, wobei die Innenwelle und die Hohlwelle über ein axiales Kugellager miteinander gekoppelt sind. Das Kugellager umfasst Kugeln, die eine translatorische Einstellung der beiden Wellen zueinander sowie gleichzeitig eine Drehmomentübertragung ermöglichen. Hierzu sind Kugellaufbahnen vorgesehen, die beispielsweise zumindest teilweise an der Innen- bzw. Außenwelle vorgesehen sind. Die Kugeln sind zudem üblicherweise in einem Kugelkäfig aufgenommen, der die Kugeln beim translatorischen Verstellen der Lenkwelle entsprechend führt.
Es hat sich jedoch bei den aus dem Stand der Technik bekannten, translatorisch verstellbaren Lenkwellen herausgestellt, dass sich der Kugelkäfig ohne Betätigung der Teleskopfunktion in axialer Richtung bewegt, also ungewollt bzw. unerwünscht. Dies wird auch als Käfigwandern bezeichnet. Das Käfigwandern hat zur Folge, dass sich die Position des Kugelkäfigs und damit einhergehend die Steifigkeit der Komponenten verändert, wodurch beispielswiese die Eigenfrequenzen der Lenkwelle und damit das Geräuschverhalten in unerwünschter Weise beeinflusst werden. Zudem kann das Käfigwandern eine zu hohe Axialkraft zur Folge haben, die für den Auszug benötigt wird, was ebenfalls unerwünscht ist. Diese zu hohe Axialkraft liegt beispielsweise dann vor, wenn der Kugelkäfig bis zu einem Rückhaltesystem für den Kugelkäfig gewandert ist. Im schlimmsten Fall kann der Kugelkäfig das Rückhaltesystem sogar überwinden, wenn dieses zu schwach ausgelegt sein sollte, was eine Trennung der Innenwelle und der Hohl- bzw. Außenwelle zur Folge haben könnte.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Kugelkäfigwanderns bei einer translatorisch verstellbaren Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug zu verhindern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Innenwelle sowie eine die Innenwelle umgebende Außenwelle, wobei die Innenwelle und die Außenwelle miteinander drehfest gekoppelt und translatorisch zueinander verstellbar sind, wobei in einem ersten Abschnitt der Lenkwelle ein Kugellager mit Kugelrückführung vorgesehen ist, und wobei in einem zweiten, an den ersten Abschnitt anschließenden Abschnitt eine Formschlussrückfalleinrichtung vorgesehen ist.
Da die Lenkwelle zwei unterschiedliche Abschnitte aufweist, gilt dies in analoger Weise für die Außenwelle, die auch die beiden unterschiedliche Abschnitte aufweist, nämlich den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt, die dem Kugellager bzw. der Formschlussrückfalleinrichtung zugeordnet sind. Der erste Abschnitt der Lenkwelle, der das Kugellager umfasst, stellt sicher, dass sich die Innenwelle und die Außenwelle relativ zueinander translatorisch verstellen lassen, indem die Kugeln des Kugellagers an der Innen- und der Außenwelle abrollen können, wenn die Lenkwelle translatorisch verstellt werden soll. Zudem erfolgt über das Kugellager die Drehmomentübertragung der Lenkwelle im Normalbetrieb, da eine Drehmomentübertragung zwischen der Innenwelle und der Außenwelle über das Kugellager möglich ist. Die Formschlussrückfalleinrichtung, die in dem zweiten Abschnitt vorgesehen ist, der sich an den ersten Abschnitt anschließt, stellt sicher, dass eine Drehmomentübertragung zwischen der Innen- und der Außenwelle auch dann noch möglich ist, wenn das Kugellager beschädigt worden ist, beispielsweise die Kugeln verlorengegangen sind, wodurch eine Drehmomentübertragung über den ersten Abschnitt bzw. das Kugellager nicht mehr möglich wäre. Es handelt sich bei dem zweiten Abschnitt also um eine auf Formschluss basierende Rückfalleinrichtung, die die Drehmomentübertragung im Fehlerfall gewährleistet.
Bei der erfindungsgemäßen Lenkwelle ist somit eine Absicherung der Drehmomentübertragung gewährleistet bzw. die Drehmomentübertragung zumindest redundant ausgebildet.
Die die Innenwelle umgebende Außenwelle kann eine Hohlwelle sein, die die Innenwelle zumindest teilweise aufnimmt.
Über die Kugelrückführung ist generell sichergestellt, dass die Kugeln des Kugellagers wandern können, wobei sie zwischen einem Tragabschnitt des Kugellagers zu einem Rückführabschnitt des Kugellagers wandern können. Der Tragabschnitt und der Rückführabschnitt umfassen jeweils beispielsweise mehrere tragende Kugelreihen bzw. mehrere rückführende Kugelreihen, wobei die Anordnung der jeweiligen Kugelreihen bzw. Kugellaufbahnen über den Umfang der Lenkwelle verteilt sind, insbesondere homogen bzw. symmetrisch verteilt sind.
Bei dem Kugellager handelt es sich um ein axiales Kugellager, das auch als Linearführung bezeichnet werden kann.
Ein Aspekt sieht vor, dass die Innenwelle im ersten Abschnitt der Lenkwelle an ihrer Außenseite mehrere Vorsprünge aufweist, die jeweils zumindest bereichsweise eine Kugellaufbahn ausbilden, insbesondere wobei die Vorsprünge einstückig mit der Innenwelle ausgebildet sind, vorzugsweise in einem Kaltformprozess. Die Kugeln des Kugellagers laufen demnach entlang der Vorsprünge, die hierzu entsprechende Kugellaufbahnen zumindest teilweise definieren, um die Kugeln zu führen. Die Vorsprünge können nach radial außen abstehen, sofern die Innenwelle einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Querschnitt hat.
Insbesondere sind die Vorsprünge einstückig mit der Innenwelle ausgebildet, sodass sich die Struktur einfach herstellen lässt. Dies geschieht beispielsweise in einem Kaltformprozess. Die gesamte Innenwelle kann demnach in einem Kaltformprozess hergestellt worden sein, wobei die entsprechende Struktur, also die Vorsprünge an ihrer Außenseite, direkt ausgebildet werden. Die Innenwelle lässt sich in kostengünstiger Weise herstellen.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Außenwelle im ersten Abschnitt der Lenkwelle an ihrer Innenseite mehrere Nasen aufweist, die jeweils zumindest bereichsweise eine Kugellaufbahn ausbilden, insbesondere wobei die Nasen einstückig mit der Außenwelle ausgebildet sind, vorzugsweise in einem Kaltformprozess. Auch die von der Außenwelle nach innen ragenden Nasen stellen demnach zumindest teilweise die Kugellaufbahn bereit. Insbesondere laufen die Kugeln sowohl an einem Vorsprung als auch an einer Nase, wenn die Lenkwelle translatorisch verstellt wird. Die Nasen können demnach nach radial innen abstehen, sofern die Außenwelle einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Querschnitt hat.
Auch die Nasen können einstückig mit der Außenwelle ausgebildet sein, sodass sich diese in einfacher Weise herstellen lassen, beispielsweise in einem Kaltformprozess.
Generell sind die Kugellaufbahnen zumindest bereichsweise durch die Vorsprünge und die Nasen begrenzt.
Die Drehmomentübertragung ist bei einer Drehung der Lenkwelle zwischen der Innen- und der Außenwelle über die Kugeln des Kugellagers möglich, die zwischen der Innenwelle, insbesondere den Nasen der Innenwelle, und der Außenwelle angeordnet sind, also in Kraftwirkungsrichtung beim Drehen der Lenkwelle.
Ferner kann das Kugellager einen Kugelkäfig umfassen, der zumindest bereichsweise eine Kugellaufbahn ausbildet, insbesondere wobei der Kugelkäfig zwischen der Außenseite der Innenwelle und der Innenseite der Außenwelle eingesetzt ist. Der Kugelkäfig definiert bzw. begrenzt die Kugellaufbahnen weiter, die bereits bereichsweise durch die Vorsprünge bzw. Nasen begrenzt sind.
Bei dem Kugelkäfig handelt es sich beispielsweise um ein Einsatzteil, welches in die Außenwelle eingesetzt ist. Der Kugelkäfig kann mehrteilig ausgebildet sein, insbesondere in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Außenwelle.
Grundsätzlich kann der Kugelkäfig aus einem polymeren Werkstoff bzw. einem Kunststoff hergestellt sein.
Beispielsweise ist im Kugelkäfig zumindest bereichsweise die Kugelrückführung ausgebildet, insbesondere wobei zumindest ein Kugelrückführungskanal teilweise durch den Kugelkäfig begrenzt ist. Dies bedeutet, dass über den Kugelkäfig, insbesondere den darin ausgebildeten Kugelrückführungskanal, zumindest teilweise sichergestellt ist, dass die Kugeln des Kugellagers vom Tragabschnitt zum Rückführabschnitt geführt werden können, wenn sich die Innenwelle und die Außenwelle relativ zueinander axial verschieben, wie dies bei einer translatorischen Einstellung der Lenkwelle der Fall ist.
Der Kugelrückführungskanal kann über einen Umlenkabschnitt ausgebildet bzw. begrenzt sein, der eine tragende Kugellaufbahn mit einer rückführenden Kugellaufbahn verbindet, sodass Kugeln von der tragenden Kugellaufbahn über den Umlenkabschnitt bzw. den Kugelrückführungskanal zur rückführenden Kugellaufbahn geführt sind. An dem entgegengesetzten Ende können die Kugeln wiederum von der rückführenden Kugellaufbahn über den Umlenkabschnitt bzw. den Kugelrückführungskanal zur tragenden Kugellaufbahn geführt werden.
Der Umlenkabschnitt kann Teil des Kugelkäfigs sein.
Mit anderen Worten können Umlenkabschnitte vorgesehen sein, über die die Kugeln aus dem Tragabschnitt in den Rückführabschnitt und umgekehrt geleitet werden.
Die Kugelrückführung kann dabei zumindest teilweise über den Kugelrückführungskanal erfolgen, der im Wesentlichen in Umfangsrichtung innerhalb des Kugelkäfigs ausgebildet sein kann. Sofern die Lenkwelle translatorisch verstellt wird, also die Innen- bzw. Außenwelle zueinander translatorisch verstellt werden, können die Kugeln über den Kugelrückführungskanal innerhalb des Kugelkäfigs wandern, also vom Tragabschnitt zum Rückführabschnitt. Dies stellt sicher, dass ein unerwünschtes Wandern des Kugelkäfigs verhindert wird.
Insofern kann der Kugelkäfig ortsfest angeordnet sein, insbesondere ortsfest in die Außenwelle eingesetzt sein. Wie bereits erläutert, wandern die Kugeln aufgrund der Kugelrückführung vom Tragabschnitt zum Rückführabschnitt, sodass der Kugelkäfig an sich ortsfest ausgebildet sein kann, da dieser beim translatorischen Verstellen der Lenkwelle sich nicht bewegen muss. Der vom Kugelkäfig benötigte Platz kann demnach reduziert werden, sodass der erste Abschnitt, der dem Kugellager zugeordnet ist, kürzer ausfallen kann als dies im Stand der Technik der Fall ist.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass im zweiten Abschnitt der Lenkwelle die Innenwelle an ihrer Außenseite und/oder die Außenwelle an ihrer Innenseite jeweils Formschlussnocken aufweisen, die die Formschlussrückfalleinrichtung ausbilden, insbesondere wobei die jeweiligen Formschlussnocken einstückig mit der Innenwelle und/oder der Außenwelle ausgebildet sind, vorzugsweise in einem Kaltformprozess. Grundsätzlich kann die Innenwelle in beiden Abschnitten gleich ausgebildet sein. Insbesondere bedeutet dies, dass sich die an der Außenseite vorgesehenen Vorsprünge über die gesamte axiale Länge der Innenwelle erstrecken können. Die Formschlussnocken können auch als Leisten, Vorsprünge, Nasen, Stege, ein Polygonprofil oder Ähnliches bezeichnet werden. Grundsätzlich können die Formschlussnocken über eine gewisse axiale Distanz, insbesondere der axialen Distanz des zweiten Abschnitts der Lenkwelle, von der Innenseite der Außenwelle nach außen bzw. von der Außenseite der Innenwelle nach innen abstehen. Sofern die Innenwelle und/oder die Außenwelle eine im Wesentlichen kreiszylindrische Geometrie haben bzw. hat, können die Formschlussnocken in radialer Richtung abstehen. Die Formschlussnocken liegen im Normalbetrieb, also bei intaktem Kugellager, nicht aneinander an, sodass die Formschlussnocken, in Umfangsrichtung gesehen, jeweils voneinander beabstandet sind. Dies bedeutet, dass, in Umfangsrichtung gesehen, ein Abstand zwischen einem Formschlussnocken der Innenwelle zu einem benachbarten Formschlussnocken der Außenwelle gegeben ist.
Die Formschlussnocken können in einfacher Weise ebenfalls einstückig mit der Innen- und/oder Außenwelle ausgebildet sein, beispielsweise wird dies in einem Kaltformprozess vorgesehen, wodurch sich die Herstellungskosten entsprechend reduzieren lassen.
Die Innenwelle und/oder die Außenwelle können bzw. kann demnach in einem Kaltformprozess ausgebildet sein, in dem gleichzeitig die Formschlussnocken und die Vorsprünge bzw. die Nasen ausgebildet werden.
Das axiale Kugellager, also die Linearführung, kann vorgespannt sein. Die Vorspannung erzeugt eine entsprechend hohe Steifigkeit.
Dies liegt unter anderem daran, dass die Laufbahnen durch den Kaltformungsprozess der Innen- bzw. Außenwelle sehr stabil sind, insbesondere im Vergleich zu anderen Lösungen, bei denen Rohre gefaltet oder Federn aus Blech zur Vorspannung verwendet werden.
Aufgrund der entsprechend ausgebildeten Innen- bzw. Außenwelle kann eine hohe Vorspannung und damit hohe Steifigkeit des axialen Kugellagers erreicht werden. Die Vorspannung wird durch eine Kugelsortierung erreicht, da die Kugeln größer als der Raum sind, der durch die Laufbahn(en) vorgegeben wird, insbesondere um einige Mikrometer.
Gemäß einer Ausführungsform haben die Formschlussnocken und die Vorsprünge und/oder die Formschlussnocken und die Nasen eine unterschiedliche Geometrie. Mit anderen Worten haben Formschlussnocken und die Vorsprünge bzw. die Nasen jeweils eine unterschiedliche Geometrie. Dies bedeutet, dass die Form der Formschlussnocken und die der Vorsprünge unterschiedlich sein kann, wodurch sie an ihr Einsatzgebiet bzw. den Verwendungszweck angepasst sind. Dies gilt in analoger Weise für die Form der Formschlussnocken und die der Nasen. Bei den Formschlussnocken handelt es sich also um unterschiedliche Funktionskomponenten im Vergleich zu den Vorsprüngen bzw. den Nasen.
Wie bereits erläutert, kann die Innenwelle auch in beiden Abschnitten gleich ausgebildet sein, sodass sich die Vorsprünge über die gesamte axiale Länge der Innenwelle erstrecken können. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten entsprechend reduzieren. Die Vorsprünge bilden demnach gleichzeitig die Formschlussnocken der Innenwelle aus.
Generell sind die Vorsprünge und die Nasen für den regulären Betrieb der Lenkwelle vorgesehen, also die Drehmomentübertragung mithilfe der Kugeln bei intaktem Kugellager, wohingegen die Formschlussnocken nur dann aktiv werden, wenn das Kugellager defekt ist, beispielsweise die Kugeln verloren gegangen sind, sodass über das Kugellager keine Drehmomentübertragung mehr möglich ist. Insofern bilden die Formschlussnocken eine Rückfallebene für das Kugellager hinsichtlich der Drehmomentübertragung. Dies gewährleistet eine zusätzliche Sicherheitsebene, die den hohen Sicherheitsanforderungen an eine Lenkung Rechnung trägt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Formschlussnocken und die Vorsprünge bzw. die Formschlussnocken und die Nasen, in Umfangsrichtung gesehen, unterschiedlich zueinander beabstandet sind. Dies bedeutet, dass beispielsweise an der Außenwelle die Formschlussnocken einen anderen Abstand entlang des Umfangs zueinander haben als die Nasen an der Außenwelle.
Insbesondere ist der Abstand, in Umfangsrichtung gesehen, bei den Formschlussnocken kleiner als der der Nasen.
Die Innenwelle und die Außenwelle sind beispielsweise derart ausgebildet, dass der Abstand, in Umfangsrichtung gesehen, benachbarter Formschlussnocken, also der Abstand eines Formschlussnockens der Innenwelle zum nächsten Formschlussnocken der Außenwelle, anders, insbesondere kleiner, ist als der Abstand zwischen einem Vorsprung und einer benachbarten Nase der Innen- bzw. Außenwelle.
Der Abstand, in Umfangsrichtung gesehen, benachbarter Formschlussnocken kann aber auch größer sein als der Abstand zwischen einem Vorsprung und einer benachbarten Nase der Innen- bzw. Außenwelle. In diesem Ausführungsbeispiel würde beim Verlust der Kugeln somit zunächst eine Drehmomentübertagung zwischen den Nasen und den Vorsprüngen erfolgen, wobei die Formschlussrückfalleinrichtung aktiv wird, wenn auch die Nasen und die Vorsprünge beschädigt worden sind, sodass über sie keine Drehmomentübertagung mehr möglich ist.
Generell können sowohl die Innenwelle als auch die Außenwelle im ersten Abschnitt anders ausgebildet sein als dies im zweiten Abschnitt der Fall ist.
Die Formschlussrückfalleinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass sich die jeweiligen Formschlussnocken im Falle einer Beschädigung des Kugellagers, insbesondere eines Verlusts der Kugeln des Kugellagers, und einer Drehbewegung der Lenkwelle kontaktieren, sodass eine Drehmomentübertragung gewährleistet ist. Bei einer Zerstörung bzw. einer Beeinträchtigung des Kugellagers, beispielsweise aufgrund des Verlusts der Kugeln, wird somit die Formschlussrückfalleinrichtung automatisch aktiviert, sodass eine Drehmomentübertragung der Lenkwelle auch weiterhin gewährleistet ist. Die Drehmomentübertragung erfolgt dann über die Formschlussnocken der Formschlussrückfalleinrichtung, deren Abstand zueinander in Umfangsrichtung zunächst beim Drehen der Lenkwelle überwunden werden muss. Dies bedeutet, es muss zunächst ein Drehspiel überwunden werden, was taktil erfasst werden kann, bevor die Innen- bzw. Außenwelle die entsprechend andere Welle bei einer Drehbewegung mitnimmt, wenn die benachbarten Formschlussnocken nach Überbrücken des Drehspiels aneinander anliegen.
Generell kann die Formschlussrückfalleinrichtung die erste Rückfallebene oder die zweite Rückfallebene darstellen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Lenkwelle um eine Lenkzwischenwelle oder eine Lenksäulenwelle handelt. Die Lenkzwischenwelle kann zwischen einer oberen Lenksäule und einer unteren Lenksäule eines Lenksystems vorgesehen sein. Die Lenksäulenwelle kann mit einem Lenkrad gekoppelt sein, insbesondere zwischen Lenkrad und Lenkzwischenwelle vorgesehen sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug,
- 2 eine Schnittdarstellung durch die Lenkwelle der 1 entlang der Linie A-A,
- 3 eine Schnittdarstellung der 2 in einer Ebene entlang der Linie B-B,
- 4 eine Schnittdarstellung der 2 in einer anderen Ebene entlang der Linie C-C, und
- 5 eine teiltransparente Darstellung der 2.

In 1 ist eine Lenkwelle 10 für ein Kraftfahrzeug schematisch gezeigt, die auch als Kraftfahrzeuglenkwelle bezeichnet werden kann. Die Kraftfahrzeuglenkwelle kommt generell bei Kraftfahrzeuglenksystemen zum Einsatz. Bei der gezeigten Lenkwelle 10 handelt es sich um eine Lenkzwischenwelle 12, die zwischen einer oberen Lenksäule und einer unteren Lenksäule bei einem Kraftfahrzeuglenksystem vorgesehen sein kann.
Die Lenkwelle 10 ist generell translatorisch verstellbar, sodass die axiale Länge der Lenkwelle 10 verändert werden kann. Dies wird auch als Teleskopfunktion bezeichnet, da die Lenkwelle 10 teleskopartig verstellbar ist, insbesondere ihre axiale Länge.
Hierzu umfasst die Lenkwelle 10 eine Innenwelle 14 sowie eine die Innenwelle 14 umgebende Außenwelle 16, die auch als Hohlwelle bezeichnet werden kann, da sie innen im Wesentlichen hohl ausgebildet ist, sodass die Außenwelle 16 die Innenwelle 14 zumindest teilweise aufnehmen kann, wie aus 1 schematisch hervorgeht.
Die Lenkwelle 10 und somit die Innenwelle 14 sowie die Außenwelle 16 weisen demnach eine gemeinsame Drehachse D auf.
Generell weist die Lenkwelle 10 einen ersten Abschnitt 18 sowie einen zweiten Abschnitt 20 auf, der sich direkt an den ersten Abschnitt 18 anschließt.
Dem ersten Abschnitt 18 der Lenkwelle 10 ist ein axiales Kugellager 22 zugeordnet, das eine Kugelrückführung 24 umfasst, wie nachfolgend noch mit Bezug auf die 2 bis 5 erläutert wird.
Das axiale Kugellager 22 stellt generell eine Drehmomentübertragung sowie die reibungsarme translatorische Verstellbarkeit der Lenkwelle 10 sicher. Das Kugellager 22 stellt also sicher, dass ein reibungsarmes Lager gegeben ist, sodass sich die Lenkwelle 10 besonders leicht translatorisch verstellen lässt.
Der zweite Abschnitt 20 der Lenkwelle 10, der an den ersten Abschnitt 18 anschließt, umfasst dagegen eine Formschlussrückfalleinrichtung 26, die generell auch zur Drehmomentübertragung dienen kann, insbesondere im Fehlerfall des Kugellagers 22, wie nachfolgend mit Bezug auf die 2 bis 5 noch erläutert wird.
In 2 ist eine Schnittansicht der Lenkwelle 10 entlang der Linie A-A in 1 gezeigt. Es handelt sich also um eine Schnittdarstellung der Lenkwelle 10 im Bereich des Kugellagers 22.
Der Aufbau des Kugellagers 22 geht auch anschaulich aus den 3 bis 5 hervor, die unterschiedliche Schnittebenen der 2, nämlich entlang der Linien B-B und C-C, sowie in einer teiltransparenten Darstellung zeigen.
Aus der 2 wird deutlich, dass die Innenwelle 14 an ihrer Außenseite 28 mehrere Vorsprünge 30 aufweist, die nach außen ragen, wohingegen die Außenwelle 16 an ihrer Innenseite 32 mehrere Nasen 34 umfasst, die nach innen weisen.
In der gezeigten Ausführungsform weisen sowohl die Innenwelle 14 als auch die Außenwelle 16 im Wesentlichen einen kreiszylindrischen Querschnitt auf, sodass die Vorsprünge 30 und die Nasen 34 jeweils radial abstehen, nach radial außen bzw. nach radial innen.
Sowohl die Vorsprünge 30 als auch die Nasen 34 sind in der gezeigten Ausführungsform einstückig mit der Innenwelle 14 bzw. der Außenwelle 16 ausgebildet. Dies kann in einem Kaltformprozess bei der Herstellung der Innenwelle 14 bzw. der Außenwelle 16 in einfacher und kostengünstiger Weise vorgesehen werden.
Sowohl die Vorsprünge 30 als auch die Nasen 34 bilden jeweils bereichsweise eine Kugellaufbahn 38 für Kugeln 40 des Kugellagers 22 aus. Dies bedeutet, dass die Kugeln 40 des Kugellagers 22 zumindest bereichsweise entlang der Vorsprünge 30 bzw. der Nasen 34 der Innenwelle 14 bzw. der Außenwelle 16 geführt sind.
Des Weiteren ist ein Kugelkäfig 42 vorgesehen, der ebenfalls die Kugellaufbahn(en) 38 für die Kugeln 40 des Kugellagers 22 zumindest bereichsweise begrenzt, sodass die Kugeln 40 in definierter Weise durch die Kugellaufbahn(en) 38 geführt sind. Der Kugelkäfig 42 kann als ein Einsatz in die Außenwelle 16 eingesetzt sein.
Üblicherweise ist der Kugelkäfig 42 aus einem Kunststoff bzw. einem polymeren Werkstoff hergestellt. Insbesondere kann der Kugelkäfig 42 auch mehrteilig ausgebildet sein.
Aus der 2 wird deutlich, dass mehrere Nasen 34 bzw. Vorsprünge 30 über dem Umfang der Außenwelle 16 bzw. der Innenwelle 14 verteilt angeordnet sind.
In der gezeigten Ausführungsform sind jeweils zwei Nasen 34 einem Vorsprung 30 zugeordnet, sodass jeder Vorsprung 30 zwei Kugellaufbahnen 38 für die Kugeln 40 definiert, nämlich an seinen entsprechenden Flanken, die jeweils einer Nase 34 zugeordnet sind, die ebenfalls jeweils eine Kugellaufbahn 38 begrenzt.
Konkret sind in der in 2 gezeigten Ausführungsform drei Vorsprünge 30 sowie sechs Nasen 34 vorgesehen, sodass die Vorsprünge 30 jeweils in einem Winkelabstand von 120° über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Wie bereits erläutert, umfasst das Kugellager 22 zudem eine Kugelrückführung 24, die beispielsweise durch den Kugelkäfig 42 und die Nasen 34 ausgebildet ist.
Die als Hohlwelle ausgebildete Außenwelle 16 und der Kugelkäfig 42 sind nicht axial beweglich zueinander, da der Kugelkäfig 42 ortsfest in der Außenwelle 16 aufgenommen ist, sodass die Nasen 34 als Teil der rückführenden Kugellaufbahn(en) der Kugelrückführung 24 verwendet werden können. Grundsätzlich können auch andere Stellen an der Innenseite 32 der Außenwelle 16 als Teil der rückführenden Kugellaufbahn(en) der Kugelrückführung 24 verwendet werden.
Hierzu kann ein Kugelrückführungskanal 44 vorgesehen sein, der zumindest teilweise durch den Kugelkäfig 42 begrenzt ist.
Über die Kugelrückführung 24 bzw. den Kugelrückführungskanal 44 ist sichergestellt, dass sich die Kugeln 40 beim translatorischen Verstellen der Lenkwelle 10 von einer Seite der Lenkwelle 10 zur anderen Seite der Lenkwelle 10 bewegen können, nämlich von einem Tragabschnitt 46 der Lenkwelle 10 zu einem Rückführabschnitt 48 der Lenkwelle 10; siehe 3 bis 5.
Beispielsweise umfasst das Kugellager 22 an seinen entgegengesetzten Enden jeweils einen Umlenkabschnitt 45, sodass ein entsprechender Kreislauf zwischen dem Tragabschnitt 46, der die tragenden Kugellaufbahnen umfasst, und dem Rückführabschnitt 48 gebildet ist, der die rückführenden Kugellaufbahnen umfasst, was insbesondere aus 5 deutlich wird. Der Umlenkabschnitt 45 bildet die Kugelrückführungskanäle 44 aus, die die tragenden Kugellaufbahnen mit den rückführenden Kugellaufbahnen verbindet, also den Tragabschnitt 46 mit dem zugeordneten Rückführabschnitt 48.
Die tragenden Kugellaufbahnen sind beispielsweise durch die Innenwelle 14 und die Nasen 34 der Außenwelle 16 ausgebildet. Anders ausgedrückt bilden die Innenwelle 14 und die Nasen 34 zusammen die tragenden Kugellaufbahnen.
Im Gegensatz hierzu haben die rückführenden Kugellaufbahnen keinen Kontakt zur Innenwelle 14. Insofern können die rückführenden Kugellaufbahnen vollständig im Kugelkäfig 42 verlaufen oder zwischen dem Kugelkäfig 42 und den Nasen 34 der Außenwelle 16.
Die Nasen 34 der Außenwelle 16 sind teilweise unterbrochen, sodass hierüber zusammen mit den Umlenkabschnitten 45 die Kugelrückführungskanäle 44 ausgebildet werden können, wie aus 5 deutlich wird.
Jeder der Kugelrückführungskanäle 44 erstreckt sich dabei in Umfangsrichtung gesehen durch den Kugelkäfig 42, wobei der Kugelrückführungskanal 44 teilweise offen sein kann, sodass er durch die Innenwelle 14 und/oder die Außenwelle 16 zusätzlich begrenzt ist. Insofern ist dann im Kugelkäfig 42 lediglich eine Kugelrückführungsnut ausgebildet, die erst im Zusammenwirken mit der Außenwelle 16 zum Kugelrückführungskanal 44 wird.
Grundsätzlich laufen die Kugeln 40 also über eine tragende Kugellaufbahn des Tragabschnitts 46 in Richtung eines Umlenkabschnitts 45, an dem die Kugeln 40 in einen Kugelrückführungskanal 44 übergehen, der die tragende Kugellaufbahn des Tragabschnitts 46 mit einer rückführenden Kugellaufbahn des Rückführabschnitts 48 verbindet, wobei beide Kugellaufbahnen 38, also die tragende Kugellaufbahn sowie die rückführende Kugellaufbahn, durch die Nase 34 teilweise begrenzt sein können, wie 5 verdeutlicht.
Von der rückführenden Kugellaufbahn des Rückführabschnitt 48 laufen die Kugeln 40 zum entgegengesetzten Umlenkabschnitt 45, wo die Kugeln 40 wiederum in einen entgegengesetzten Kugelrückführungskanal 44 übergehen, der die rückführende Kugellaufbahn des Rückführabschnitts 48 mit der tragenden Kugellaufbahn des Tragabschnitts 46 verbindet.
Hierdurch ist ein Kreislauf entsprechend geschaffen, der sich um eine der Nasen 34 der Außenwelle 16 ergibt.
Aus den 3 und 4 geht zudem schematisch hervor, dass die Formschlussrückfalleinrichtung 26 mehrere Formschlussnocken 50 aufweist, die sowohl an der Außenseite 28 der Innenwelle 14 als auch an der Innenseite 32 der Außenwelle 16 vorgesehen sind.
Die Formschlussnocken 50 sind dabei in analoger Weise zu den Vorsprüngen 30 bzw. den Nasen 34 einstückig mit der Innenwelle 14 bzw. der Außenwelle 16 ausgebildet, vorzugsweise in einem Kaltformprozess der Innenwelle 14 bzw. der Außenwelle 16.
Bei der Herstellung der der Innenwelle 14 und/oder der Außenwelle 16 lassen sich so gleichzeitig die Formschlussnocken 50 sowie die Vorsprünge 30 bzw. die Nasen 34 ausgebildet werden, wodurch sich die Herstellungskosten entsprechend verringern lassen.
Insbesondere handelt es sich bei den Formschlussnocken 50 der Innenwelle 14 um die Vorsprünge 30, die sich lediglich über die gesamte axiale Länge der Innenwelle 14 erstrecken.
Die Formschlussnocken 50 sind dabei, in Umfangsrichtung der jeweiligen Welle 14, 16 gesehen, zueinander derart beabstandet, dass die Formschlussnocken 50 im Normalbetrieb, also bei durch Kugeln 40 belegtem Kugellager 22, nicht miteinander in Eingriff geraten.
Dies tritt erst dann ein, wenn das Kugellager 22 beschädigt worden ist, sodass beispielsweise die Kugeln 40 des Kugellagers 22 verlorengegangen sind.
Dann werden die Formschlussnocken 50 der Innenwelle 14 mit den Formschlussnocken 50 der Außenwelle 16 zusammenwirken, sofern eine Drehbewegung der Lenkwelle 10 vorliegt, wie dies bei einer Lenkbewegung der Fall ist. Hierdurch ist eine entsprechende Drehmomentübertragung über die Formschlussrückfalleinrichtung 26 möglich.
Die Formschlussrückfalleinrichtung 26 stellt somit eine Rückfallebene für die Lenkwelle 10 hinsichtlich der Drehmomentübertragung dar, die dann nötig und automatisch aktiv wird, wenn über das Kugellager 22 keine Drehmomentübertragung mehr möglich ist.
Insbesondere sind die Formschlussnocken 50 hierzu, in Umfangsrichtung gesehen, unterschiedlich zueinander beabstandet als dies die Vorsprünge 30 bzw. die Nasen 34 sind. Der Abstand benachbarter Formschlussnocken 50 entlang des Umfangs ist somit kleiner als der Abstand benachbarter Vorsprünge 30 und Nasen 34, sodass die Drehmomentübertragung im Falle des Verlusts der Kugeln 40 (ausschließlich) über die Formschlussnocken 50 erfolgt.
Hierdurch wird verhindert, dass bei einem Verlust der Kugeln 40 des Kugellagers 22 die Vorsprünge 30 mit den Nasen 34 zusammenwirken, um ein Drehmoment zu übertragen. Der Abstand der Formschlussnocken 50 ist demnach so gewählt, dass diese zunächst aneinander anliegen, bevor dies über die Vorsprünge 30 bzw. die Nasen 34 geschehen würde.
Insofern kann auch vorgesehen sein, dass die Formschlussnocken 50 generell eine unterschiedliche Geometrie im Vergleich zu den Vorsprüngen 30 bzw. den Nasen 34 haben, insbesondere eine für die Drehmomentübertragung geeignetere Geometrie als dies bei den Vorsprüngen 30 und den Nasen 34 der Fall ist, die lediglich mit den Kugeln 40 zusammenwirken sollen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Formschlussrückfalleinrichtung 26 erst dann aktiv wird, wenn das Kugellager 22 derart beschädigt ist, dass auch über die Vorsprünge 30 und die Nasen 34 keine Drehmomentübertragung mehr möglich ist, weil die Vorsprünge 30 und die Nasen 34 beispielsweise abgenutzt sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand benachbarter Formschlussnocken 50 entlang des Umfangs größer als der Abstand benachbarter Vorsprünge 30 und Nasen 34, sodass nach Verlust der Kugeln 40 erst eine Drehmomentübertragung über die Vorsprünge 30 und die Nasen 34 erfolgt (als erste Rückfallebene) und die Formschlussrückfalleinrichtung 26 erst bei Zerstörung der Vorsprünge 30 und der Nasen 34 aktiv wird (als zweite Rückfallebene).
Der Abstand der Formschlussnocken 50 zueinander kann, in Umfangsrichtung gesehen, dem Abstand der Vorsprünge 30 und Nasen 34 zueinander , in Umfangsrichtung gesehen, entsprechen. Dies bedeutet, dass bei einem Verlust der Kugeln 40 bzw. Beschädigung des axialen Kugellagers 22, eine Drehmomentübertragung der Lenkwelle 10 über die Anlage der Formschlussnocken 50 aneinander sowie über die Anlage der Vorsprünge 30 an den Nasen 34 erfolgt, also über eine gleichzeitige Anlage der jeweiligen Komponenten der Lenkwelle 10.
Generell kann bei Verlust der Kugeln 40 bzw. Beschädigung des axialen Kugellagers 22 ein rotatorisches Spiel auftreten, da keine Kugeln 40 mehr vorhanden sind. Dieses rotatorische Spiel ist gewollt, um eine Warnung an den Fahrer auszugeben, dass das axiale Kugellager 22 beschädigt ist.

Claims

Lenkwelle (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Innenwelle (14) sowie eine die Innenwelle (14) umgebene Außenwelle (16), wobei die Innenwelle (14) und die Außenwelle (16) miteinander drehfest gekoppelt und translatorisch zueinander verstellbar sind, wobei in einem ersten Abschnitt (18) der Lenkwelle (10) ein Kugellager (22) mit einer Kugelrückführung (24) vorgesehen ist, und wobei in einem zweiten, an den ersten Abschnitt (18) anschließenden Abschnitt (20) eine Formschlussrückfalleinrichtung (26) vorgesehen ist.
Lenkwelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwelle (14) im ersten Abschnitt (18) der Lenkwelle (10) an ihrer Außenseite (28) mehrere Vorsprünge (30) aufweist, die jeweils zumindest bereichsweise eine Kugellaufbahn (38) ausbilden, insbesondere wobei die Vorsprünge (30) einstückig mit der Innenwelle (14) ausgebildet sind, vorzugsweise in einem Kaltformprozess.
Lenkwelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwelle (16) im ersten Abschnitt der Lenkwelle (10) an ihrer Innenseite (32) mehrere Nasen (34) aufweist, die jeweils zumindest bereichsweise eine Kugellaufbahn (38) ausbilden, insbesondere wobei die Nasen (34) einstückig mit der Außenwelle (16) ausgebildet sind, vorzugsweise in einem Kaltformprozess.
Lenkwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager (22) einen Kugelkäfig (42) umfasst, der zumindest bereichsweise eine Kugellaufbahn (38) ausbildet, insbesondere wobei der Kugelkäfig (42) zwischen der Außenseite (28) der Innenwelle (14) und der Innenseite (32) der Außenwelle (16) eingesetzt ist.
Lenkwelle (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kugelkäfig (42) zumindest bereichsweise die Kugelrückführung (24) ausgebildet ist, insbesondere wobei zumindest ein Kugelrückführungskanal (44) teilweise durch den Kugelkäfig (42) begrenzt ist.
Lenkwelle (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (42) ortsfest angeordnet ist, insbesondere ortsfest in die Außenwelle (16) eingesetzt ist.
Lenkwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Abschnitt (20) der Lenkwelle (10) die Innenwelle (14) an ihrer Außenseite (28) und/oder die Außenwelle (16) an ihrer Innenseite (32) jeweils Formschlussnocken (50) aufweisen, die die Formschlussrückfalleinrichtung (26) ausbilden, insbesondere wobei die Formschlussnocken (50) einstückig mit der Innenwelle (14) und/oder der Außenwelle (16) ausgebildet sind, vorzugsweise in einem Kaltformprozess.
Lenkwelle (10) nach Anspruch 7 und Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussnocken (50) und die Vorsprünge (30) bzw. die Nasen (34) eine unterschiedliche Geometrie haben und/oder, in Umfangsrichtung gesehen, unterschiedlich zueinander beabstandet sind.
Lenkwelle (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussrückfalleinrichtung (26) derart ausgebildet ist, dass sich die jeweiligen Formschlussnocken (5) im Falle einer Beschädigung des Kugellagers (22), insbesondere eines Verlusts der Kugeln (40) des Kugellagers (22), und einer Drehbewegung der Lenkwelle (10) kontaktieren, sodass eine Drehmomentübertragung gewährleistet ist.
Lenkwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (10) eine Lenkzwischenwelle (12) oder eine Lenksäulenwelle ist.