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Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Lenkwellenlagereinheit, in der über ein Wälzlager eine Lenkspindel aufgenommen ist, wobei die Lenkwellenlagereinheit eine innere Mantelfläche aufweist.
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Moderne Lenksäulen sind regelmäßig als verstellbare Lenksäulen ausgebildet. Verstellbare Lenksäulen erlauben zur Einstellung einer für den Kraftfahrzeugfahrer komfortablen Lenkposition die Anpassung der Position des Lenkrades an die Sitzposition des Fahrers und sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. In vielen Kraftfahrzeugen kann die vertikale Neigung der Lenksäule (Höhenverstellung) und der Abstand des Lenkrades zum Fahrer (Längsverstellung) über einen gewissen Bereich, oftmals motorisiert, eingestellt werden.
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Eine Möglichkeit zur Realisierung einer vorstehend beschriebenen verstellbaren Lenksäule ist aus
WO 2020/099362 A1 bekannt. Gemäß dieser Offenbarung umfasst die Lenksäule ein Tragrohr, in dem ein Mantelrohr in der Längsverstellrichtung mittels eines ersten Verstellantriebs verschiebbar gehalten ist, wobei eine Lenkspindel in dem als Lenkwellenlagereinheit dienenden Mantelrohr drehbar gelagert ist, und wobei das Tragrohr verschwenkbar an einer mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs direkt oder indirekt verbindbaren Konsole befestigt ist, wobei die Verschwenkung eine Verstellung des Mantelrohrs und der Lenkspindel gegenüber der Trageinheit in Höhenverstellrichtung bewirkt.
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Bei zu großen Toleranzabweichungen zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und des zwischen Lenkspindel und der Lenkwellenlagereinheit angeordneten Wälzlagers kann es zu ungenügenden Betriebseigenschaften des Lagersystems kommen, was nicht nur in dem unerwünschten Auftreten von die Haltbarkeit beeinträchtigenden radialen Kräften, die während einer Umdrehung des Lagers entstehen, resultiert, sondern sich zudem in einem unerwünscht hohen Maß an Rollreibungsschwankungen manifestiert. Aus diesem Grund muss bei vorbekannten Lenksäulen die innere Mantelfläche aufwendig mechanisch nachbearbeitet werden, beispielsweise durch den Einsatz zerspanender Fertigungsverfahren. Dieser zusätzliche Bearbeitungsschritt verkompliziert den Herstellungsprozess und treibt somit die Herstellungskosten der Lenksäulen in die Höhe.
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Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Lenksäule vorzuschlagen, die kostengünstig und einfach hergestellt werden kann und dabei insbesondere das Auftreten von Rollreibungsschwankungen und radialen Kräften effektiv verringert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Lenksäule gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung beschrieben sowie in den Figuren dargestellt.
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Die vorgeschlagene Lösung sieht eine Lenksäule mit einer Lenkwellenlagereinheit, in der über ein Wälzlager eine Lenkspindel aufgenommen ist, vor, wobei die Lenkwellenlagereinheit eine innere Mantelfläche aufweist und zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und dem Wälzlager ein Toleranzausgleichselement angeordnet ist, welches einen ringförmigen Grundkörper und mindestens ein sich in axiale Richtung des Grundkörpers erstreckendes an den Grundkörper angeschlossenes Ausgleichselement umfasst, wobei das mindestens eine Ausgleichselement in radiale Richtung des Toleranzausgleichselements zur spielfreien Überbrückung eines radialen Abstandes zwischen der inneren Mantelfläche und dem Wälzlager federelastisch vorgespannt ist.
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Bei einer solchen Lenksäule ist vorteilhafterweise zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und dem Wälzlager ein Toleranzausgleichselement angeordnet, wodurch sich beim Einpressen des Wälzlagers das Wälzlager in den durch die Lenkwellenlagereinheit bereitgestellten Lagersitz anpasst. Insbesondere weist die Lenksäule ein Tragrohr auf, in dem ein als Lenkwellenlagereinheit dienendes Mantelrohr vorteilhafterweise in der Längsverstellrichtung mittels des ersten Verstellantriebs verschiebbar gehalten ist. Dabei ist die Lenkspindel in der rohrförmigen Lenkwellenlagereinheit drehbar gelagert. Das Tragrohr ist weiter vorteilhaft verschwenkbar an einer mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs verbindbaren Konsole befestigt, wobei die Verschwenkung, vorteilhafterweise eine Verstellung des Mantelrohrs und der Lenkspindel gegenüber der Trageinheit in Höhenverstellrichtung bewirkt, sodass eine zweidimensionale Verstellbarkeit, einmal in X-Richtung und einmal in Z-Richtung, gegeben ist.
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Besonders vorteilhaft bei dieser Lenksäule ist, dass zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und dem Wälzlager ein Toleranzausgleichselement angeordnet ist. Dieses weist einen ringförmigen Grundkörper und mindestens ein sich in axiale Richtung des Grundkörpers erstreckendes an den Grundkörper angeschlossenes Ausgleichselement auf. Durch dieses mindestens eine Ausgleichselement wird in radiale Richtung des Toleranzausgleichselements eine spielfreie Überbrückung eines radialen Abstandes zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und dem die Lenkspindel lagernden Wälzlager bereitgestellt, indem das Ausgleichselement zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und dem die Lenkspindel federelastisch vorgespannt ist. Durch ein solches Toleranzausgleichselement wird vorteilhafterweise erreicht, dass potentielle Toleranzabweichungen zwischen der inneren Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit und des zwischen Lenkspindel und der Lenkwellenlagereinheit angeordneten Wälzlagers ausgeglichen werden, sodass hierdurch nicht nur die bei der Verwendung beziehungsweise Verstellung der Lenksäule auftretenden, die Haltbarkeit beeinträchtigenden, radialen Kräften minimiert werden, sondern zudem das Maß der Schwankung der Rollreibung vorteilhafterweise verringert wird. Damit wird im Vergleich zu vorbekannten Lenksäulen durch die erfindungsgemäße Lenksäule ein aufwendiger mechanischer Nachbearbeitungsschritt überflüssig gemacht, wodurch die Herstellung einfacher und kostengünstiger durchführbar wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein elektromotorischer Verstellantrieb vorgesehen sein, der zwischen dem Tragrohr und der Konsole angeordnet ist. Der elektromotorische Verstellantrieb ist derart ausgebildet, dass dieser im Betrieb die Verschwenkung des Tragrohrs relativ zur Konsole herbeiführt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorgeschlagenen Lenksäule weist der ringförmige Grundkörper einen sich radial in das Innere des ringförmigen Grundkörpers erstreckenden umlaufenden Laufbahnabschnitt auf. Dabei ist der Laufbahnabschnitt geometrisch so ausgebildet ist, dass er als äußere Wälzkörperlaufbahn dient. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement auf besonders vorteilhafte, kostengünstige und einfache Art und Weise realisiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lenksäule kann der der Innenring des Wälzlagers durch eine umlaufende Nut in der Lenkspindel gebildet werden, wodurch der Innenring des Wälzlagers besonders kostengünstig und leicht realisiert werden kann.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lenksäule weist das mindestens eine Ausgleichselement eine Hinterschneidung auf. Diese Hinterschneidung stützt sich vorteilhafterweise an der Stirnseite der Lenkwellenlagereinheit ab. Hierdurch wird eine einfache und positionssichere Montage des Toleranzausgleichselementes ermöglicht. Ferner erlaubt dieses das Ausbilden einer unverlierbaren Baueinheit.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Lenksäule weist das mindestens eine Ausgleichselement mindestens zwei Federzungen auf. Die Federzungen stellen einfach herstellbare federelastische Ausgleichselemente dar, die insbesondere dazu ausgebildet sind, einen radialen Abstand zwischen der inneren Mantelfläche und dem Wälzlager spielfrei zu überbrücken, indem die Federzungen radial nachgiebig, also federnd, ausgebildet sind. Durch die spielfreie Überbrückung des Abstandes wird erreicht, dass das Wälzlager optimal funktionieren kann und Innen- sowie Außenring des Wälzlagers durch an ihnen abwälzende Wälzkörpern voneinander spielfrei getrennt sind. Bevorzugt weist der Übergang der Federzungen im Bereich der Wälzkörperlaufbahn des Lageraußenringes einen Radius auf, sodass die Federzungen vorteilhafterweise in die Laufbahn überleiten.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Federzungen trapezförmig ausgebildet sind, da diese Geometrie der Federzungen besonders vorteilhaft im Hinblick auf das Gewicht ist, aber dennoch eine haltbare Geometrie darstellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Federzungen umfänglich gleichmäßig verteilt. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise erreicht, dass die durch das mindestens eine Ausgleichselement bewirkte Einspannung der Wälzkörper durch die beiden Ringe, Innen- und Außenring, sowie der angestrebte Toleranzausgleich zwischen innerer Mantelfläche und Wälzlager über den Umfang betrachtet möglichst gleichmäßig erfolgt. Dieses trägt zu einer Verbesserung der Laufeigenschaften des Wälzlagers bei.
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Gemäß einer besonders haltbaren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Lenksäule ist das Toleranzausgleichselement aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Hierdurch wird der Einsatz des Toleranzausgleichselementes als Teil des regelmäßig mechanisch stark beanspruchten Wälzlagers weiter verbessert.
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In einer besonders kostengünstigen und einfach herstellbaren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Lenksäule ist die innere Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit in einem Abschnitt, in dem das Wälzlager angeordnet ist, mechanisch unbearbeitet. Als mechanisch unbearbeitet ist im Sinne dieser Erfindung insbesondere zu verstehen, dass keine trennenden oder zerspanenden Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Vorteilhafterweise kommen besonders kostengünstig herstellbare gezogene Rohre als Lenkwellenlagereinheit zum Einsatz.
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Gemäß einer besonders einfach zu montierenden Ausgestaltung der vorgeschlagenen Lenksäule weist die innere Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit einen Versatz auf, der als axialer Anschlag für das Toleranzausgleichselement dient. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine einfache und positionssichere Montage des Toleranzausgleichselementes ermöglicht.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik vorbekannten Lenksäule ohne Toleranzausgleichselement,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lenksäule mit Toleranzausgleichselement,
- 3 in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lenksäule mit Längs- und Höhenverstellbarkeit,
- 4 eine Explosivdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Toleranzausgleichselementes mit Wälzlager, wobei das Toleranzausgleichselement als Außenring eines Wälzlagers dient,
- 5 in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Toleranzausgleichselement mit den Elementen gemäß 4; und
- 6 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lenksäule mit Toleranzausgleichselement, wobei die innere Mantelfläche der Lenkwellenlagereinheit einen Versatz aufweist, der als Anschlag für das Toleranzausgleichselement dient, und wobei das mindestens eine Ausgleichselement eine Hinterschneidung aufweist.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt beziehungsweise erwähnt.
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Eine in 1 im Schnitt dargestellte vorbekannte Lenksäule 1 weist eine hohlzylindrisch geformte Lenkwellenlagereinheit 2 auf, die mit ihrer Innenseite 3 eine räumliche Begrenzung für den an ihrer Innenseite 3 anliegenden Außenring 4 eines Wälzlagers 5 bereitstellt. Zwischen dem Innenring 6 und Außenring 4 des Wälzlagers 5 sind regelmäßig mehrere, eventuell über einen Wälzkörperkäfig beabstandete, Wälzkörper 7 angeordnet. Diese Konfiguration des Innenrings 6 und des Außenrings 4 zusammen mit den Wälzkörpern 7 definiert das Wälzlager 5. Die Innenseite des Wälzlagers 5 liegt an der Mantelfläche 8 der sich um die Rotationsachse 9 drehbaren Lenkspindel 10 an. Problematisch bei einer solche Lenksäule 1 ist, dass der Anforderung an die Oberflächenbeschaffenheit der Lenkwellenlagereinheit 2, insbesondere hinsichtlich der gewünschten minimalen Rauheit der Innenseite 3, den Einsatz von kostengünstig hergestellten, regelmäßig tiefgezogenen Rohren als Lenkwellenlagereinheit 2 nicht möglich macht, ohne die innere Mantelfläche beziehungsweise Innenseite 3 der Lenkwellenlagereinheit 2 in einem Abschnitt, in dem das Wälzlager 5 angeordnet ist, mechanisch unbearbeitet zu lassen. Vielmehr wird eine ausreichende Minimierung der Oberflächenrauheit erst nach dem Einsatz kostenintensiver und aufwendiger zerspanender oder trennender Fertigungsverfahren erreicht.
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Demgegenüber ist in 2, ebenfalls in Schnittdarstellung, ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lenksäule 1 dargestellt. Dieses weist im Unterschied zu der in 1 dargestellten Lenksäule 1 ein Toleranzausgleichselement 11 auf, welches einen radialen Abstand zwischen der inneren Mantelfläche und dem Wälzlager 5 überbrückt, wobei mindestens ein Ausgleichselement 12 in radiale Richtung des Toleranzausgleichselements 11 federelastisch vorgespannt ist, und einen spielfreien Sitz des Wälzlagers 5 sicherstellt. Dazu verfügt das Toleranzausgleichselement 11 über einen ringförmigen Grundkörper 13 und mindestens ein sich in axiale Richtung des Grundkörpers 13 erstreckendes an den Grundkörper 13 angeschlossenes Ausgleichselement 12, welches insbesondere als Federzunge ausgebildet sein kann. Solche Ausgleichselemente 12, insbesondere Federzungen, sind vorzugsweise umfänglich gleichmäßig verteilt angeordnet, insbesondere in einem Winkelabstand von 60 Grad oder 45 Grad, damit die durch die Ausgleichselemente 12 bewirkte Einspannung der Wälzkörper 7 durch die beiden Ringe, Innenring 4 und Außenring 6, sowie der angestrebte Toleranzausgleich zwischen innerer Mantelfläche beziehungsweise Innenseite 3 und Wälzlager 5 über den Umfang betrachtet möglichst gleichmäßig erfolgt. Dieses trägt vorteilhafterweise zu einer Verbesserung der Laufeigenschaften des Wälzlagers 5 bei.
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Des Weiteren ist in 3 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lenksäule 1 gezeigt, welche eine mit dem Chassis eines hier nicht gezeigten Kraftfahrzeugs verbindbare eine Konsole 14 umfassende Trageinheit aufweist, an welcher eine Stelleinheit 15 verstellbar gehalten ist. Die Konsole 14 kann am Chassis des Kraftfahrzeugs, beispielsweise über Befestigungsbohrungen, befestigt werden kann. Die Stelleinheit 15 umfasst ein als Lenkwellenlagereinheit 2 dienendes Mantelrohr 16, in welchem eine Lenkspindel 10 drehbar gelagert ist. Am lenkradseitigen Ende 17 der Lenkspindel 10 kann ein in 3 nicht gezeigtes Lenkrad befestigt werden. Die Lenkspindel 10 dient dazu, ein von einem Fahrer über das Lenkrad auf die Lenkspindel 10 eingebrachtes Lenkmoment in bekannter Weise auf ein in 3 nicht gezeigtes, lenkbares Rad zu übertragen. Die Lenkspindel 10 kann dabei die Lenkbewegung von dem Lenkrad auf das lenkbare Rad unter Zwischenschaltung eines Lenkgetriebes, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer Hilfskraftunterstützung, übertragen.
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Das Mantelrohr 16 ist in einem Tragrohr 18 in einer Längsverstellrichtung X verschiebbar gehalten, wobei sich die Längsverstellrichtung X in Achsenrichtung der Lenkspindel 10 erstreckt. Durch eine Verstellung des Mantelrohrs 16 gegenüber dem Tragrohr 18 kann eine Längsverstellung der Lenkspindel 10 und damit des nicht dargestellten Lenkrades zur Anpassung der Position des Lenkrades an die Sitzposition eines Fahrers des Kraftfahrzeugs erreicht werden. Das Tragrohr 18 ist verschwenkbar an der Konsole 14 befestigt und kann um eine Schwenkachse gegenüber der Konsole 14 verschwenkt werden. Eine Verstellbarkeit der Stelleinheit 15 in einer Höhenverstellrichtung Z, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsverstellrichtung X orientiert ist, wird darüber ermöglicht, dass das Mantelrohr 16 über einen Verschwenkmechanismus 19 an der Konsole 14 gehalten ist. Damit ergibt sich eine Verschwenkbarkeit des Mantelrohrs 16 und der Lenkspindel 10 gegenüber der Trageinheit und insbesondere gegenüber der Konsole 14 um die Schwenkachse derart, dass auch eine Höhenverstellung des in 3 nicht gezeigten und an der Lenkspindel 10 angeordneten Lenkrades erreicht wird, um auch auf diese Weise eine Anpassung der Position des Lenkrades an die Sitzposition des Fahrers zu erreichen.
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4 zeigt eine Explosivdarstellung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels für eine Anordnung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Toleranzausgleichselementes 12 mit Wälzlager 5, wobei das Toleranzausgleichselement 11 als Außenring 4 eines Wälzlagers 5 dient. Dazu weist der ringförmige Grundkörper 13 des Toleranzausgleichselementes 11 eine Anlagefläche auf, die als Laufbahn für die Wälzkörper 7 dient. Die innere Laufbahn des Wälzlagers 5 wird über einen Vermittlungsring 20, der über einen inneren Toleranzring 21 an der Lenkspindel 10 anliegt, an die Wälzkörper 7 gedrückt, um eine spielfreies Wälzlager 5 zu bilden. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung ist übernimmt das Toleranzausgleichselement 11 die Funktion des Außenrings 4 eines Wälzlagers 5, sodass unter Verwendung dieses Toleranzausgleichselementes 12 eine besonders kostengünstige und bezüglich des Gewichts verbesserte Lenksäule 1 realisiert werden kann.
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Zur Veranschaulichung der Zusammenbaustellung ist in 5 eine zusammengesetzte Konfiguration der Ringe gemäß der Explosivdarstellung aus 4 gezeigt.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lenksäule 1 mit Toleranzausgleichselement 11, wobei die innere Mantelfläche 3 der Lenkwellenlagereinheit 2 einen Versatz 22 aufweist, der als Anschlag für das Toleranzausgleichselement 11 dient, und wobei das mindestens eine Ausgleichselement 12 eine Hinterschneidung 23 aufweist. Durch die Hinterschneidung 23 wird das Ausbilden einer unverlierbaren Baueinheit ermöglicht. Der Versatz 22 der inneren Mantelfläche führt zu einer einfacheren und positionssicheren Montage des Toleranzausgleichselementes 11.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksäule
- 2
- Lenkwellenlagereinheit
- 3
- Innenseite
- 4
- Außenring
- 5
- Wälzlager
- 6
- Innenring
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Mantelfläche
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Lenkspindel
- 11
- Toleranzausgleichselement
- 12
- Ausgleichselement
- 13
- Grundkörper
- 14
- Konsole
- 15
- Stelleinheit
- 16
- Mantelrohr
- 17
- lenkradseitiges Ende
- 18
- Tragrohr
- 19
- Verschwenkmechanismus
- 20
- Vermittlungsring
- 21
- Toleranzring
- 22
- Versatz
- 23
- Hinterschneidung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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