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Die Erfindung betrifft eine Lenkspindel für Fahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Lenkspindeln für Fahrzeuge haben eine in einem Außenrohr verschiebbar gelagerte Lenkwelle. Bei Nutzfahrzeugen kann das Fahrerhaus gekippt werden, wobei die Lenkspindel teleskopiert. Zusätzlich ist das Fahrerhaus gegenüber der Karosse federnd gelagert, weshalb ein Längenausgleich erforderlich ist. Hierbei verschiebt sich die Lenkwelle relativ zum Außenrohr. Die Gleit/Wälzkörper sind in der Regel Kugeln, die in einem auf der Lenkwelle befestigten Rollenkäfig angeordnet sind und in Axialnuten an der Innenwand des Außenrohres eingreifen. Trotz genauer Fertigung ist Verdrehspiel zwischen den Bauteilen unvermeidbar, das für den Fahrer spürbar ist. Um den Störeinfluss des Verdrehspiels zwischen den Kugeln und den Axialnuten zu verringern, sind das Außenrohr und die Lenkwelle in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt, wodurch ein evtl. Verdrehspiel zwischen den Gleit/Wälzkörpern so verringert wird, dass es nicht stört. Je höher die Vorspannkraft ist, desto höher ist allerdings die Kraft, die zum Verschieben der Lenkwelle erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Lenkspindel so auszubilden, dass der Störeinfluss des Verdrehspiels weiter verringert werden kann, ohne dass dies zu einer Erhöhung der Verschiebekraft beim Verschieben der Lenkwelle relativ zum Außenrohr führt.
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Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Lenkspindel erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lenkspindel zeichnet sich dadurch aus, dass sie die einander gegenüberliegenden Zusatzkörper aufweist, mit denen die Lenkwelle an der Innenwand des Außenrohres anliegt. Die Zusatzkörper liegen unter einer Anpresskraft an der Innenwand an und greifen unter einem Eingriffswinkel < etwa 60° an der Innenwand des Außenrohres an. Durch die Anordnung der Zusatzkörper einander gegenüberliegend entsteht dadurch ein auf die Lenkwelle wirkendes Drehmoment, wodurch ein Verdrehspiel zwischen der Lenkwelle und dem Außenrohr weiter verringert wird. Je nach Größe des Eingriffswinkels ändert sich die Anpresskraft der Zusatzkörper, wodurch auch die Verschiebekraft beeinflusst wird, mit welcher die Lenkwelle relativ zum Außenrohr verschoben werden kann. Die Zusatzkörper ermöglichen, dass das Verdrehspiel auf ein Minimum eingestellt werden kann, ohne dass hohe Verschiebekräfte auftreten. Dadurch wird ein mögliches Verklemmen trotz des sehr geringen Verdrehspiels zuverlässig vermieden.
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Die Zusatzkörper haben in Achsrichtung der Lenkwelle Abstand voneinander, so dass das Drehmoment, das auf die Lenkwelle und damit auf die Zusatzkörper ausgeübt wird, optimal ist.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung sind die Zusatzkörper in einem Rollen/Kugelkäfig angeordnet, der drehfest und axial begrenzt verschieblich auf der Lenkwelle angeordnet ist. Der Rollen/Kugelkäfig kann sich axial beim Teleskopieren auf der Lenkwelle verschieben, wobei die Kugeln rollen.
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In diesem Rollen/Kugelkäfig sind vorteilhaft auch die Gleit/Wälzkörper angeordnet, die in Axialnuten in der Innenwand des Außenrohres eingreifen. Der Rollen/Kugelkäfig erlaubt somit eine einfache Montage der Gleit/Wälzkörper sowie der Zusatzkörper.
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Die Zusatzkörper sind zu Erzielung einer optimalen Einstellung der gewünschten Verschiebekraft nahe den beiden Enden des Rollen/Kugelkäfigs angeordnet.
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In Achsrichtung des Rollen/Kugelkäfigs gesehen liegen die Zusatzkörper diametral einander gegenüber.
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Die Zusatzkörper sind in Bezug auf die Gleit/Wälzkörper in vorteilhafter Weise so angeordnet, dass die von den Zusatzkörpern erzeugte Anpresskraft unter einem Winkel in Bezug auf die von den Gleit/Wälzkörpern ausgeübte Anpresskraft liegt.
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Die Zusatzkörper sind bevorzugt Gleit- oder Wälzkörper, vorzugsweise Kugeln. Dadurch ist gewährleistet, dass Reibungseffekte und Verschleiß minimiert sind.
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Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße Lenkspindel,
- 2 in vergrößerter Darstellung einen Radialschnitt durch die Lenkspindel gemäß 1 im Bereich eines Rollen/Kugelkäfigs,
- 3 und 4 verschiedene perspektivische Darstellungen des Rollen/Kugelkäfigs der erfindungsgemäßen Lenkspindel,
- 5 und 6 in Diagrammen die Abhängigkeit der Anpress- bzw. Verschiebekraft vom Eingriffswinkel der Zusatzkörper.
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Die Lenkspindel ist bevorzugt für Nutzfahrzeuge vorgesehen und hat ein Außenrohr 1, in dem eine Lenkwelle 2 gelagert ist. Sie verbindet ein Lenkrad mit einem Lenkgetriebe.
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Das Außenrohr 1 und die Lenkwelle 2 sind teleskopartig relativ zueinander axial verschiebbar. Die beiden aus dem Außenrohr 1 ragenden Enden der Lenkwelle 2 tragen jeweils ein Kardangelenk 3, 4, über die die Lenkspindel in bekannter Weise gelenkig mit dem Lenkrad sowie dem Lenkgetriebe verbunden ist.
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Die Lenkwelle 2 hat ein verjüngtes Ende 5, auf dem ein Kugelkäfig 6 drehfest und axial begrenzt verschiebbar angeordnet ist. Er hat wenigstens zwei axial verlaufende Reihen von Kugeln bzw. Rollen 7 (nachfolgend nur noch Kugeln genannt), die im Ausführungsbeispiel diametral einander gegenüberliegend vorgesehen sind. Der Kugelkäfig 6 hat Öffnungen 8, durch welche in bekannter Weise die Kugeln 7 ragen (2). Die Kugeln 7 ragen radial nach außen über den Kugelkäfig 6 und liegen an der Innenwand 9 des Außenrohres 1 an.
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Wie aus 2 hervorgeht, ist der Außendurchmesser des Kugelkäfigs 2 kleiner als der Innendurchmesser des Außenrohres 1. Der Innendurchmesser des Kugelkäfigs 6 ist kleiner als der Außendurchmesser des Lenkwellenendes 5.
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Die Kugeln 7 erlauben eine leichtgängige axiale Verschiebung von Außenrohr 1 und Lenkwelle 2 relativ zueinander in Achsrichtung.
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An der Innenwand 9 des Außenrohres 1 befinden sich axial sich erstreckende Nuten 10, in welche die Kugeln 7 eingreifen.
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Um ein Verdrehspiel zwischen dem Außenrohr 1 und der Lenkwelle 2 auszuschließen, ist eine Verspanneinrichtung vorgesehen, mit der die Lenkwelle 2 und das Außenrohr 1 in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt werden. Die Verspanneinrichtung wird durch den Kugelkäfig 6 gebildet, der so ausgebildet ist, dass seine Kugeln in noch zu beschreibender Weise die Verspannung erzeugen.
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Wie 2 zeigt, ist auch das Lenkwellenende 5 mit axial verlaufenden Nuten 12 versehen, in welche die Kugeln 7 eingreifen.
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Da die Lenkwelle 2 über die Verspanneinrichtung in Form des Kugelkäfigs 6 in Umfangsrichtung gegenüber dem Außenrohr 1 verspannt ist, wird infolge der in Umfangsrichtung wirkenden Spannkraft das Verdrehspiel zwischen den Kugeln 7 und den Nuten 10 des Außenrohres 1 eliminiert. Aufgrund dieser Verspannung treten insbesondere bei Geradeausfahrt unter kleinen wechselnden Lenkmomenten keine Vibrationen des Lenkrades oder Lenkgeräusche auf. Der Verdrehwinkel zur Verspannung liegt in vorteilhafter Weise in einem Bereich zwischen etwa 5° und etwa 10°. Das Verspannmoment ist ausreichend hoch und kann bei einer vorteilhaften Ausbildung im Bereich von 1 Nm liegen.
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Der Kugelkäfig 6 ist zusätzlich zu den beiden Kugelreihen mit zwei weiteren Kugeln 13 versehen, die, in Achsrichtung des Kugelkäfigs 6 gesehen, diametral einander gegenüberliegen (2). Die eine Kugel 13 befindet sich nahe dem einen Ende und die andere Kugel 13 nahe dem anderen Ende des Kugelkäfigs 6 (3 und 4). Anstelle der Kugeln können auch Rollen vorgesehen sein.
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Die Kugeln 13 werden radial nach außen durch entsprechende Druckelemente 14 (2) belastet, die im Lenkwellenende 5 angeordnet sind. Als Druckelemente 14 können beispielsweise Druckfedern eingesetzt werden, welche die Kugeln 13 radial nach außen gegen die Innenwand 9 des Außenrohres 1 drücken.
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Zur Aufnahme der Druckelemente 14 ist das Lenkwellenende 5 mit Nuten 15 versehen, deren Mittenebenen 16 unter einem spitzen Winkel α zu einer durch die Kugelreihen 7 gehenden Radialen 17 liegen (2), in Achsrichtung der Lenkwelle 2 gesehen.
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Die Nuten 15 liegen parallel zueinander und sind so angeordnet, dass ihre Mittenebenen 16 mit Abstand zur Achse 18 des Kugelkäfigs 6 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Radialen 17 verlaufen, in Achsrichtung des Kugelkäfigs 6 gesehen (2).
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Die Kugeln 13 haben im Ausführungsbeispiel kleineren Durchmesser als die Kugeln 7. Grundsätzlich können die Kugeln 7, 13 auch gleichen Durchmesser haben.
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Die Kugeln 13 dienen dazu, das evtl. noch vorhandene Verdrehspiel zwischen der Lenkwelle 2 und dem Außenrohr 1 zu eliminieren, zumindest aber so gering zu halten, dass es beim Einsatz der Lenkspindel sich nicht nachteilig auswirkt und ohne dass die Verschiebekraft unzulässig hoch wird.
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Die Kugeln 13 werden durch die Druckelemente 14 gegen die Innenwand 9 des Außenrohres 1 mit einer Federkraft FF gedrückt. Das Verdrehspiel wird mit zunehmender Federkraft FF wirksam kompensiert.
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Da die Federkräfte FF der beiden Kugeln 13 nicht, in Achsrichtung des Kugelkäfigs gesehen, in gleicher Richtung wirken, sondern quer zur Achse mit Abstand voneinander wirksam sind, entsteht ein Drehmoment M um die Achse 18 des Kugelkäfigs 6, wodurch ein evtl. vorhandenes Verdrehspiel herausgedrückt wird. Die beiden Kugeln 13 liegen nicht auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse, sondern sind in axialer Richtung zueinander versetzt. Durch diese räumliche Anordnung der beiden Kugeln 13 wirken um die zur Drehachse senkrechten Achsen weitere Drehmomente, die die Kugeln 7 zusätzlich verspannen. Die Exzentrizität der Federkraft FF führt zu diesen Verspannmomenten, so dass das Verdrehspiel nahezu bei Null gehalten werden kann.
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Das Verspannen der Kugeln 7 gegen die Nuten 10 erfolgt somit aus den räumlich wirkenden Drehmomenten, die durch die beiden Kugeln 13 erzeugt werden, wenn sie durch die Federn 14 gegen die Innenwand 9 gedrückt werden. Eine zusätzliche Verspanneinrichtung ist nicht mehr erforderlich und es ist nicht mehr erforderlich, die Kugeln 10 sehr eng zu verpassen.
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Der Eingriffswinkel a, gemessen zwischen der Richtung der Kraft FF und der durch die benachbarte Kugelreihe gehenden Radialen 17, in Achsrichtung gemäß 2 gesehen, beeinflusst wesentlich die Anpresskraft der Kugel 13 an die Innenwand 9 des Außenrohres 1. Die Presskraft FF der Kugeln 13 ihrerseits beeinflusst die Verschiebekraft, die notwendig ist, um die Lenkwelle 2 relativ zum Außenrohr 1 zu verschieben.
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5 zeigt beispielhaft in einem Diagramm die Abhängigkeit der Kraft N zum Verschieben der Lenkwelle 2 relativ zum Außenrohr 1 in Abhängigkeit vom Einstellwinkel α. Bei dem Diagramm gemäß 5 wurde ein Eingriffswinkel α von 60 ° sowie eine hohe Federkraft FF vorgesehen. Erkennbar ist, dass mit zunehmendem Eingriffswinkel α die Anpresskraft FF der Kugeln 13 abnimmt. Die Verschiebekraft N nimmt beispielhaft ab etwa einem Eingriffswinkel α von 25° zu.
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Beim Eingriffswinkel α von 60° ergibt sich eine Verschiebekraft N1.
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6 zeigt den Fall, dass der Eingriffswinkel α kleiner ist und bei etwa 24° liegt. Die Anpresskraft FF ist niedriger als beim vorigen Ausführungsbeispiel. Bei einem solchen geringen Eingriffswinkel α ergibt sich beim Eingriffswinkel von 24° eine im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß 5 geringere Verschiebekraft N2.
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Aus einem Vergleich der 5 und 6 ergibt sich, dass durch Veränderung des Eingriffswinkels α die Verschiebekraft verringert werden kann. Durch eine Optimierung des Eingriffswinkels und somit einer effizienteren Wirkrichtung der Kugelanpresskräfte FF kann die zusätzliche Verschiebekraft reduziert werden.
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Die 5 und 6 sind nur als Beispiel zu verstehen, keinesfalls jedoch als beschränkend anzusehen. Aufgrund der beschriebenen Gestaltung der Lenkspindel ergibt sich, dass in Abhängigkeit von der Federkraft FF und dem Eingriffswinkel α der Kugeln 13 die Verschiebekraft auf den jeweiligen Anwendungsfall hin optimiert werden kann. Bei gleichem Eingriffswinkel α nimmt die Verschiebekraft mit zunehmender Federkraft FF zu.
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Die beschriebene Gestaltung der Lenkspindel führt zu einer optimalen Spielkompensation zwischen dem Außenrohr 1 und der Lenkwelle 2. Es hat sich gezeigt, dass das maximale Verdrehspiel bis auf etwa 0,1° verringert werden kann, ohne dass zu hohe Verschiebekräfte entstehen. Der Eingriffswinkel α kann dabei im Bereich zwischen etwa 1° und etwa 25° liegen.
