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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen in Richtung einer Längsachse zwischen einem ersten Wellenende und einem zweiten Wellenende axial erstreckten Wellenkörper, der einen Deformationsabschnitt aufweist, der beim Einwirken einer axialen Kraft zwischen dem ersten Wellenende und dem zweiten Wellenende plastisch deformierbar ist.
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In einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs dient die drehbar gelagerte Lenkwelle zur Übertragung von Lenkbefehlen, die durch Drehung eines fahrerseitig angebrachten Lenkrads eingebracht werden. In mechanisch gekoppelten Lenksystemen ist der fahrerseitige Lenkwellenteil als Lenkspindel einer an der Karosserie gehaltenen Lenksäule ausgebildet, und in der Regel über eine weitere Lenkwelle, die sogenannte Zwischenwelle, mit einem Lenkgetriebe verbunden, in dem die Drehbewegung eine translatorische Bewegung einer über Spurstangen mit den Achsschenkeln der Räder verbundenen Zahnstange umgesetzt wird, um einen Lenkeinschlag der lenkbaren Räder zu erzeugen. Zum Ausgleich von Winkelversatz können zwischen Abschnitten der Lenkwelle Kreuzgelenke eingesetzt sein, die in der Regel an dem ersten und zweiten Wellenende der als Zwischenwelle dienenden Lenkwelle angeordnet sind.
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Zur Verbesserung der Insassensicherheit bei einer Fahrzeugkollision, dem sogenannten Crashfall, ist es bekannt, die Lenkwelle in Längsrichtung nachgiebig auszugestalten, um zu verhindern, dass die Lenkwelle beispielsweise bei einer Verlagerung des Lenkgetriebes weiter in den Fahrzeuginnenraum eindringt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Lenkwelle, beispielsweise die Zwischenwelle und/oder die Lenkspindel, zwischen den Wellenenden einen Deformationsabschnitt aufweist. Durch die im Crashfall axial eingeleitete hohe Kraftspitze, die sogenannte Crashkraft, wird die Lenkwelle axial belastet und der Deformationsabschnitt in axialer Richtung plastisch deformiert, wobei die Wellenenden axial zusammengeschoben werden und die Lenkwelle verkürzt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Crashfall durch einen mit hoher Geschwindigkeit aufprallenden Körper in die Lenkwelle eingeleitete kinetische Energie durch die plastische Deformation des Deformationsabschnitts absorbiert werden kann, so dass durch eine kontrollierte Abbremsung die Gefahr von Verletzungen reduziert werden kann.
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Eine derartige Lenkwelle mit einem Deformationsabschnitt ist beispielsweise in der
DE 10 2018 120 314 A1 beschrieben. Diese umfasst einen rohrartigen Wellenkörper mit einem Deformationsabschnitt, der balgartig ausgebildet und mit einer Nutenstruktur ausgestaltet ist mit einer Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinander folgenden, in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten. Beim Einwirken einer hohen axialen Kraft wird die Nutenstruktur in axialer Richtung gestaucht. Dadurch wird eine effektive Verkürzung der Lenkwelle ermöglicht. Ebenso wird bei radialer Krafteinwirkung eine Verbiegung der Lenkwelle als ganzes Bauteil ermöglicht, wobei die Nuten entsprechend verformt werden. Nachteilig ist jedoch die relativ aufwendige Fertigung, die erforderlich ist, um eine kontrolliert deformierbare Nutenstruktur bereitzustellen.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen geringeren Fertigungsaufwand und eine besser kontrollierte Deformation bei einer Lenkwelle der eingangs genannten Art zu ermöglichen.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Lenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Verfahren gemäß Anspruch 12, sowie das Lenksystem gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen in Richtung einer Längsachse zwischen einem ersten Wellenende und einem zweiten Wellenende axial erstreckten Wellenkörper, der einen Deformationsabschnitt aufweist, der beim Einwirken einer axialen Kraft zwischen dem ersten Wellenende und dem zweiten Wellenende plastisch deformierbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Deformationsabschnitt einen nicht die Längsachse umlaufenden Soll-Knickbereich aufweist, in dem die Knickfestigkeit verringert ist. Dabei ist unter einem nicht die Längsachse umlaufenden Soll-Knickbereich ein Bereich zu verstehen bei dem in dem Deformationsbereich der Welle ein oder mehrere diskret über den Umfang der Längsachse verteilt ausgebildete Abschnitte angeordnet sind, in denen eine Knickung in einer jeweils definierten Winkellage bevorzugt ermöglicht ist.
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Bezüglich der Längsachse erstreckt sich ein Soll-Knickbereich über einen Umfangsteilbereich, der kleiner ist als der Gesamtumfang, bevorzugt kleiner als der halbe Gesamtumfang.
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In dem erfindungsgemäßen Soll-Knickbereich des Deformationsabschnitts ist die Knickfestigkeit definiert herabgesetzt, und zwar in einer definierten Winkellage, relativ zu den Lenkwellenabschnitten außerhalb des Deformationsabschnitts. Mit anderen Worten ist die Knicksteifigkeit der Lenkwelle im Bereich des Deformationsabschnitts lokal reduziert. Dies führt dazu, dass beim Einwirken einer hinreichend hohen axialen Kraft, aber auch bei einer hinreichend hohen radialen Kraft, die vorzugsweise an die im Crashfall auftretende Crashkraft angepasst ist, ein Biegeknicken im Bereich des Soll-Knickbereichs auftritt. Dabei handelt es sich um ein seitliches, bezüglich der Längsachse radiales Ausweichen der Wandung des Wellenkörpers. Alternativ oder in Kombination kann auch ein bezüglich der Längsachse radiales Ausweichen des gesamten Wellenkörpers erfolgen, bei dem sich der Wellenquerschnitt in einer radialen Ausweichrichtung radial nach außen von der Lenkwelle wegbewegt. Beide Ausweichbewegungen führen zu einer axialen Verkürzung der Lenkwelle. Durch die plastische Biegeumformung des Soll-Knickbereichs wird außerdem kinetische Energie absorbiert.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine Reduzierung der Knickfestigkeit mit geringem konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand durch eine lokale Querschnittsänderung bzw. -verkleinerung der Lenkwelle realisiert werden kann. Dadurch ist der Konstruktions- und Herstellungsaufwand geringer als im Stand der Technik. Darüber hinaus kann die axiale Grenzkraft, bei deren Überschreitung die Lenkwelle axial nachgibt und die Wellenenden aufeinander zu bewegt werden, mit relativ geringem Aufwand und dabei gut definiert bestimmt und praktisch realisiert werden.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das bei der Erfindung ausgenutzte Verformungsverhalten, welches dem eines Knickstabs ähnelt, nichtlinear bezüglich der axial einwirkenden Kraft ist. Das bedeutet, dass unterhalb des Schwellwerts einer kritischen Grenzkraft keine Knickverformung auftritt, und die Länge des Wellenkörpers im Wesentlichen unverändert bleibt. Dadurch kann die Gestaltung des Soll-Knickbereichs bei der erfindungsgemäßen Lenkwelle einfach derart angepasst werden, dass die axiale Belastung durch die üblicherweise im Fahrbetrieb einwirkenden Kräfte immer unterhalb der Grenzkraft bleibt. Dadurch ist ein sicherer Fahrbetrieb gewährleistet, und darüber hinaus auch sichergestellt, dass im Betrieb keine graduelle Schwächung oder Änderung des Verformungsverhaltens auftreten kann. Erst im Crashfall wird der Schwellwert der kritischen Grenzkraft durch die extrem hohe axial einwirkende Crashkraft überschritten, und die Lenkwelle wird in axialer Richtung zusammengeschoben und verkürzt. Es wird mit anderen Worten eine Art Schwellwert-Umschaltung realisiert, welche einen sicheren Normalbetrieb und gleichzeitig ein zuverlässiges Ansprechen des Deformationsabschnitts im Crashfall gewährleistet. Dadurch kann ein optimiertes Energieabsorptionsverhalten realisiert werden, welches zur Erhöhung des Sicherheitsniveaus beitragen kann.
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Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehen, dass die Knickfestigkeit in einer definierten Winkellage bezüglich der Längsachse verringert ist. Die im Soll-Knickbereich gegeneinander verschwenkbaren Wellenteile werden beim Abknicken um eine imaginäre Knickachse, die quer zur Längsachse liegt, quer zur Längsachse gegeneinander verschwenkt, d.h. relativ zueinander um die Knickachse abgewinkelt und relativ zur Längsachse in einer Auslenkrichtung, die auch als Ausweichrichtung bezeichnet wird, radial nach außen ausgelenkt. Mit anderen Worten bezeichnet die Winkellage der Knickfestigkeit die Winkelorientierung der Auslenkrichtung bezüglich der Längsachse, in der die an den Knickbereich angrenzenden Wellenabschnitte beim Einwirken der axialen Crashkraft senkrecht zur Knickachse von der Längsachse wegbewegt werden. Somit wird die Winkellage der Knickfestigkeit durch die Anordnung der Knickachse festgelegt. Der Vorteil dabei ist, dass das Deformationsverhalten der Lenkwelle besser definiert werden kann, und das seitliche Ausweichen im Knickbereich gezielt in eine konstruktions- und betriebstechnisch günstige Richtung gelenkt wird. Dadurch kann die Betriebs- und Fahrzeugsicherheit erhöht werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Soll-Knickbereich bezüglich der Längsachse spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Dabei liegen die Längsachse und auch die quer dazu verlaufende Knickachse in oder parallel zu der Spiegelebene. Die Auslenkrichtung steht senkrecht zur Spiegelebene, also in oder entgegen der Normalenrichtung. Ein Vorteil der spiegelsymmetrischen Anordnung ist, dass im Crashfall ein definiertes Ausweichen nur in zwei definierten Winkellagen in entgegengesetzte Richtungen erfolgen kann, wodurch eine optimierte konstruktive Anpassung an den im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Einbauraum erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein symmetrischer Soll-Knickbereich einfach realisierbar und funktionssicher ist.
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Alternativ ist es denkbar, dass der Soll-Knickbereich asymmetrisch ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise durch eine bezüglich der Längsachse asymmetrische Gestaltung des Querschnitts realisiert werden. Dadurch ist es möglich, dass nur eine einzige bevorzugte Auslenkrichtung definiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Lenkwelle zumindest abschnittweise rohrförmig ausgebildet ist. Dabei kann der Wellenkörper einen Rohrabschnitt oder rohrförmigen Hohlkörper aufweisen oder durch einen solchen gebildet sein. Es kann beispielsweise ein zylindrisches Rohr mit gegebenem Durchmesser (Außendurchmesser) und gegebener Wandstärke eingesetzt werden, welches zwischen den Wellenenden durchgehend ausgebildet sein, oder zumindest axial abschnittweise dazwischen verlaufen kann. Bevorzugt kann insbesondere die erfindungsgemäße Soll-Knickstelle im Bereich eines rohrförmigen Abschnitts ausgebildet sein. Ein Vorteil dabei ist, dass die Soll-Knickstelle bei hoher Funktions- und Betriebssicherheit konstruktiv und fertigungstechnisch mit geringem Aufwand erzeugt werden kann.
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Es ist möglich, dass der Soll-Knickbereich mindestens eine radiale Einformung aufweist. Im Bereich der Einformung wird eine Verringerung des Querschnitts bzw. des Durchmessers des Wellenkörpers erzeugt, in der radialen Richtung der Einformung gemessen. Durch die Richtung der Einformung, auch als Winkellage der Einformung oder Einformrichtung bezeichnet, wird die Winkellage der Auslenkrichtung, die der Winkellage der Knickfestigkeit entspricht, bezüglich der Längsachse definiert. Ein Vorteil ist, dass eine Einformung mit geringem Aufwand erzeugt werden kann. Beispielsweise kann in einem rohrförmigen Wellenkörper einfach eine Einformung als plastische Vertiefung von außen eingepresst werden, wodurch die Rohrwandung lokal radial nach innen deformiert wird, so dass eine Art konkave Delle ausgebildet wird. Dabei wird eine senkrecht zur Längsachse und senkrecht zur Einformrichtung stehende Knickachse definiert. Die Fertigung kann mit geringem Aufwand dadurch erfolgen, dass ein Presswerkzeug oder Pressstempel radial von außen plastisch in die Rohrwandung eingeprägt wird.
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Die Einformung erstreckt sich bezüglich der Längsachse über einen Umfangsteilbereich, der kleiner ist als der Gesamtumfang, und der bevorzugt kleiner oder gleich 180° ist, entsprechend dem halben Gesamtumfang.
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Eine mögliche vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zwei Einformungen einander radial gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei bilden die paarweise, bevorzugt gleichartig ausgebildeten Einformungen eine spiegelsymmetrische Anordnung des Deformationsabschnitts, die bevorzugt mindestens zwei, besonders bevorzugt genau zwei einander gegenüberliegende, bezüglich der Einformrichtung gegeneinander gerichtete Einformungen umfasst. Dadurch werden wie oben erläutert zwei bezüglich der Längsachse radial nach außen entgegen gerichtete mögliche Auslenkrichtungen vorgegeben. Zwei einander paarweise gegenüberliegende Einformungen können besonders einfach durch Zusammenpressen des rohrförmigen Wellenkörpers zwischen zwei gleichartig ausgebildeten Presswerkzeugen in die Rohrwandung plastisch eingepresst werden.
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Es ist auch denkbar und möglich, dass der Soll-Knickbereich mindestens eine lokal begrenzte Schwachstelle mit reduzierter axialer Druckfestigkeit aufweist. Bei der Schwachstelle handelt es sich um eine in Umfangsrichtung und axial begrenzte Schwächung, beispielsweise durch eine Reduzierung der axialen Druckfestigkeit durch eine lokale Veränderung der Festigkeitseigenschaften des Querschnitts, die eine lokal begrenzte relativen Schwächung bewirken kann. Beispielsweise kann eine solche lokale Schwächung bei einem rohrförmigen Wellenkörper durch einen Bereich reduzierter Wandstärke bereitgestellt werden, oder auch durch eine lokale Durchbrechung der Rohrwandung. Dadurch kann die Knickfestigkeit im Deformationsabschnitt mit geringem Aufwand gezielt im Sinne der Erfindung reduziert werden.
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Es ist vorteilhaft, dass der Soll-Knickbereich eine definierte axiale Verformungsgrenzkraft aufweist. Die axiale Verformungsgrenzkraft entspricht dem Schwellenwert der zwischen den Wellenenden axial eingeleiteten Kraft. Dank der Erfindung kann diese Verformungsgrenzkraft durch das Material und die geometrische Ausgestaltung der Soll-Knickstelle bevorzugt so vorgegeben werden, dass im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs, wenn die auf die Lenkwelle wirkende axiale Kraft unterhalb der Verformungsgrenzkraft bleibt, im Wesentlichen keine merkliche Verformung, insbesondere keine plastische Verformung der Lenkwelle auftritt. Ausschließlich im Crashfall, wenn die dann wirkende Crashkraft die vorgegebene Verformungsgrenzkraft überschreitet, wird der Soll-Knickbereich wie vorangehend beschrieben geknickt. Die oben erwähnte, mit der eines Knickstabs vergleichbare Verformungscharakteristik ist gut geeignet, um eine derartige Verformungsgrenzkraft mit der erforderlichen Genauigkeit und Zuverlässigkeit darzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Wellenkörper mit mindestens einem Gelenkkopf (Gelenkgabel) eines Kreuzgelenks mit einer quer zur Längsachse angeordneten Gelenkachse verbunden ist, wobei die Winkellage der Knickfestigkeit relativ zu der durch die Gelenkachse festgelegten Drehrichtung (Schwenkrichtung) definiert orientiert ist. Eine als Zwischenwelle ausgebildete erfindungsgemäße Lenkwelle ist über Kreuz- oder Universal- bzw. Kardangelenke mit den eingangs- und ausgangsseitigen Abschnitten des Lenksystems verbunden, beispielsweise mit einer Lenkspindel und einem Lenkgetriebe. Für jedes der Gelenke ist jeweils ein Gelenkkopf in Form einer Gelenkgabel mit dem jeweiligen Wellenende der Lenkwelle verbunden. In dem Gelenkkopf ist ein Gelenkkreuz um eine Gelenkachse verschwenkbar gelagert. Bei dem seitlichen Ausweichen der Lenkwelle im Crashfall in dem erfindungsgemäßen Soll-Knickbereich wird der an den Gelenkkopf angrenzende Lenkwellenabschnitt ebenfalls relativ zu dem Gelenkkopf verschwenkt. Dabei ist es vorteilhaft, dass die das Auslenken bewirkenden Querkräfte möglichst im Bereich der Soll-Knickstelle wirken. Um dies zu erreichen, ist eine definierte Ausrichtung der Auslenkrichtung relativ zu den durch die Gelenkachsen der Gelenke vorgegebenen Schwenkrichtung vorteilhaft, d.h. die Winkelausrichtungen der Knickachse und der Gelenkachsen wird bevorzugt definiert vorgegeben.
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Dabei ist es vorteilhaft, dass die Knickfestigkeit in der oder quer zu der durch die Gelenkachse festgelegten Drehrichtung verringert ist, d.h. der Schwenkrichtung des Gelenks, die gegeben ist durch die Schwenkachse der zugehörigen Gelenkgabel des Gelenks, die mit dem Wellenteil, das den Deformationsabschnitt aufweist, verbunden ist. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Knickachse definiert relativ zu einer Gelenkachse orientiert werden kann, um im Crashfall ein definiertes Ausweichverhalten zu realisieren. Im Fall, dass das Wellenteil, das den Deformationsabschnitt aufweist, an beiden Enden mit einem Gelenk gekoppelt ist, ist das näher stehende Gelenk als das zugehörige Gelenk zu verstehen. Dieses Gelenk sollte bevorzugt in Fahrtrichtung vorne, also in der vom fahrerseitigen Befestigungsabschnitt für ein Lenkrad abgewandten Seite der Lenksäule, angeordnet sein. Entsprechend kann die Knickachse parallel oder quer zu der oder den Gelenkachsen angeordnet sein. Dadurch tritt durch das Auslenken im Crashfall eine Verschwenkung in der oder quer zu der der durch das Gelenk vorgegebenen Schwenkrichtung auf.
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Es ist aber ohne weiteres denkbar und möglich, zwei Knickbereiche vorzusehen, die in der der Lenkwelle in entlang der Längsachse hintereinander angeordneten Abschnitten angeordnet sind. Diese Knickbereiche sind bevorzugt direkt aneinander anschließend angeordnet und haben Knickachsen, die etwa 90 Winkelgrad zueinander ausgerichtet sind. Unter etwa 90 Winkelgrad ist ein Bereich von 70 bis 110 Winkelgrad zu verstehen. Bevorzugt sind ein Bereich von 80 bis 100 Winkelgrad dargestellt, was ebenfalls unter den Begriff von etwa 90 Winkelgrad anzusehen ist.
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Mit Vorteil wird die Lenkwelle, umfassend einen in Richtung einer Längsachse zwischen einem ersten Wellenende und einem zweiten Wellenende axial erstreckten Wellenkörper, derart ausgebildet, dass die Lenkwelle genau zwei hintereinander angeordnete Deformationsabschnitte aufweist, die beim Einwirken einer axialen Kraft zwischen dem ersten Wellenende und dem zweiten Wellenende plastisch deformierbar sind. Mit besonderem Vorteil weisen die beiden Deformationsabschnitte jeweils einen nicht die Längsachse umlaufenden Soll-Knickbereich auf, in dem die Knickfestigkeit jeweils in einer vorgegebenen Winkellage, gemessen entlang des Umfangs um die Längsachse, verringert ist. Besonders vorteilhaft sind diese beiden jeweiligen Winkellagen um etwa 90 Winkelgrad zueinander versetzt ausgerichtet.
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Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Wellenkörper axial außerhalb des Soll-Knickbereichs die Knickfestigkeit erhöhende Verstärkungselemente aufweist. Derartige Verstärkungselemente können Rippen, Längssicken oder dergleichen aufweisen, welche die Knickfestigkeit erhöhen, und die bevorzugt in einem rohrförmigen Wellenkörper ausgebildet sein können. Der Vorteil dabei ist, dass im Crashfall ein unerwünschtes Knicken außerhalb des Deformationsabschnitts sicher vermieden werden kann, wodurch die Funktions- und Betriebssicherheit erhöht werden kann.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle mit einem Wellenkörper, bei dem in einem Wellenkörper-Rohling, der sich zwischen einem ersten Wellenende und einem zweiten Wellenende in Richtung einer Längsachse erstreckt, ein Deformationsabschnitt erzeugt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in den Wellenkörper ein Soll-Knickbereich eingebracht wird, in dem die Knickfestigkeit verringert ist. Dabei kann die Einbrinung bevorzugt erfolgen, wie dies vorangehend für die erfindungsgemäße Lenkwelle erläutert ist, beispielsweise durch plastische Einformung oder Deformation eines rohrförmigen Wellenkörpers, und alternativ oder zusätzlich durch Erzeugung mindestens einer lokal begrenzten Schwachstelle mit reduzierter axialer Druckfestigkeit, beispielsweise durch mindestens eine lokale Reduzierung der Wandungsstärke, eine Durchbrechung oder dergleichen.
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Es kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass der Soll-Knickbereich plastisch eingeformt wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass im Soll-Knickbereich mittels eines von außen radial einwirkenden Presswerkzeugs eine plastische Einformung einer Rohrwandung eines rohrförmigen Wellenkörper-Rohlings eingepresst wird. Dazu wird der Wellenkörper-Rohling einfach zwischen gegeneinander bewegbaren Presswerkzeugen einer Presseinrichtung positioniert, und diese werden mit einer definierten Presskraft und/oder einem definierten Pressweg in Einformrichtung von außen in die Rohrwandung plastisch eingeformt. Auf diese Weise können die Einformungen fertigungstechnisch einfach und in den geforderten Abmessungen erzeugt werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass durch zwei quer zur Längsachse symmetrisch einwirkende Presswerkzeuge zwei einander radial gegenüberliegende Einformungen eingepresst werden. Dadurch können mit geringen Aufwand symmetrische Einformungen wie oben beschrieben erzeugt werden.
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Ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine um ihre Längsachse drehbar gelagerte Lenkwelle, kann erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch bereitgestellt werden, dass die Lenkwelle gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungen oder Kombinationen davon gefertigt ist. Dies kann bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Lenksäule umfassend eine erfindungsgemäße Lenkwelle in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
- 2 die erfindungsgemäße Lenkwelle gemäß 1 in einer in Richtung der Längsachse aufgeschnittenen Ansicht,
- 3 eine Lenksäule nach dem Stand der Technik in einer Ansicht analog 1,
- 4 die Lenkwelle nach dem Stand der Technik der Lenksäule gemäß 3 in einer Ansicht analog 2,
- 5 eine Teilansicht eines Wellenendes der Lenkwelle mit dem daran angeschlossenen Kreuzgelenk gemäß 1 in einer ersten Ansicht,
- 6 eine Teilansicht eines Wellenendes der Lenkwelle mit dem daran angeschlossenen Kreuzgelenk gemäß 1 in einer relativ zu 5 verdrehten Ansicht,
- 7 die Lenkwelle gemäß 5 oder 6 in verformten Zustand nach einem Crashfall,
- 8 eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung einer Lenkwelle gemäß 1 oder 2,
- 9 eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ansicht wie in 8,
- 10 eine Teilansicht eines Wellenendes der Lenkwelle mit dem daran angeschlossenen Kreuzgelenk analog 1 in einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Ansicht,
- 11 eine Teilansicht eines Wellenendes der Lenkwelle mit dem daran angeschlossenen Kreuzgelenk analog 1 in einer zweiten Ausführungsform in einer relativ zu 10 verdrehten Ansicht,
- 12 die Lenkwelle in der zweiten Ausführungsform gemäß 10 oder 11 in verformten Zustand nach einem Crashfall,
- 13 eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung einer Lenkwelle in einer zweiten Ausführungsform, wie sie in 10 und 11 veranschaulicht ist,
- 14 eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht wie in 13.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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 bzw. erwähnt.
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3 zeigt ein Lenksystem 1 nach dem Stand der Technik in einer schematischen perspektivischen Darstellung. Dieses umfasst eine Lenksäule 11, die mit einer Trageinheit 12 an einer nicht dargestellten Kraftfahrzeug-Karosserie anbringbar ist, und in der eine Lenkspindel 13 um ihre Achse 14 drehbar gelagert ist. Am in Fahrtrichtung hinteren, fahrerseitigen Ende der Lenkspindel 13 ist ein Befestigungsabschnitt 15 zur Anbringung eines hier nicht dargestellten Lenkrads angeordnet.
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Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Lenkwelle 2, wie auch die im Stand der Technik in 3 dargestellte Lenkwelle 2, die sich axial in Richtung ihrer Längsachse L erstreckt, ist an ihrem einen, in Fahrtrichtung hinteren Wellenende 21 über ein Gelenk 3, gemäß seiner bevorzugten Bauform auch als Kreuz-, Universal- oder Kardangelenk bezeichnet, mit dem vorne aus der Lenksäule 11 ragenden Ende der Lenkspindel 13 gelenkig verbunden. Am vorderen Wellenende 22 ist ein gleichartig aufgebautes Gelenk 4 winkelversetzt zum ersten Gelenk 3 an der Lenkwelle 2 angebracht.
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Das vordere Gelenk 4 ist mit der Eingangswelle eines hier nicht gezeigten Lenkgetriebes verbunden, welche einen Winkelversatz zur Längsachse L hat. Dieser Winkelversatz und auch der Winkelversatz der Lenkwelle 2 zur Achse 12 der Lenkspindel 13 wird durch die Kreuzgelenke 3 und 4 ausgeglichen. Gemäß ihrer Funktion wird die Lenkwelle 2 gleichbedeutend auch als Zwischenwelle bezeichnet.
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Die Lenkwelle 2 ist durch eine im Fahrzeug quer zur Fahrtrichtung liegende Spritzwand 5 der Karosserie drehbar hindurchgeführt und mittels einer als Dichtmanschette 51 ausgebildeten Spritzwanddurchführung hindurchgeführt.
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Zwischen ihren Wellenenden 21 und 22 weist die Lenkwelle 2 einen Deformationsabschnitt 6 auf.
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In
4 ist die Lenkwelle 2, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, entlang der Längsachse L aufgeschnitten dargestellt. Darin ist erkennbar, dass die Lenkwelle 2 einen rohrförmigen Wellenkörper 23 hat, der wie im Beispiel gezeigt eine im Wesentlichen hohlzylindrische Grundform haben kann und gleichbedeutend auch als Rohr oder Rohrkörper bezeichnet wird. Der Deformationsabschnitt 6 weist, wie in der oben genannten
DE 10 2018 120 314 A1 beschrieben, eine Mehrzahl von axial aufeinander folgend in die Wandung des Wellenkörpers 23 eingeformten, umlaufenden Nuten 61 auf. Dadurch wird eine axial, in Richtung der Längsachse zusammenstauchbare Balgstruktur ausgebildet. Im Crashfall kann eine hohe axiale Kraft, die sogenannte Crashkraft C, von dem Lenkgetriebe in axialer Richtung auf das vordere Wellenende 22 auftreten, wie mit dem Pfeil angedeutet. Dadurch wird der Deformationsabschnitt 6 axial plastisch zusammengestaucht, und der Abstand zwischen den Wellenenden 21 und 22 wird so weit verkürzt, dass die Lenkwelle 2 nicht durch die Spritzwand 5 hindurch weiter in den Fahrzeuginnenraum geschoben wird, also in der Darstellung von
3 nach rechts.
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1 und 2 zeigen in denselben Ansichten wie 3 und 4 ein erfindungsgemäßes Lenksystem 1 und eine erfindungsgemäße Lenkwelle 3, wobei für gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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Im Unterschied zum Stand der Technik weist der Deformationsabschnitt 6 einen erfindungsgemäße Soll-Knickbereich 7 auf. Dieser Soll-Knickbereich 7 weist keine über den Umfang um die Längsachse L umlaufende Nut oder Einformung auf wie in 4, sondern zwei einander der Längsachse L spiegelsymmetrisch radial gegenüberliegende, in die Rohrwandung des Wellenkörpers 23 plastisch eingeformte Einformungen 71 und 72. Die Einformungen 71 und 72 erstrecken sich jeweils über einen Umfangsteilbereich, der kleiner ist als die Hälfte des Umfangs, wobei die Einformungsrichtungen radial von außen gegeneinander und senkrecht zur Längsachse L gerichtet sind. Zwischen den Einformungen 71 und 72 ist der rohrförmige Wellenkörper 23 in einer Richtung, nämlich in der besagten Einformrichtung, quer zur Längsachse L flachgequetscht bzw. eingekerbt. Dadurch wird ein imaginäre Biege- oder Knickachse B gebildet, die quer zur Längsachse L und ebenfalls quer zu der zwischen den Einformungen 71 und 72 durchgehenden Einformrichtung. Anders ausgedrückt ist die Knickfestigkeit des Wellenkörpers 23 definiert durch die Einformrichtung reduziert, so dass beim Knicken die an die Soll-Knickelle 7 angrenzenden Wellenabschnitte in einer Biegung um die Biege- oder Knickachse B gegeneinander verschwenkt werden können.
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Wenn im Crashfall eine hohe Crashkraft C axial auf das vordere Wellenende 22 einwirkt, knickt der Wellenkörper 23 im Bereich der zwischen den Einformungen 71 und 72 gebildeten verringerten Knickfestigkeit durch, und zwar um die besagte Biegeachse B. Dadurch tritt eine Auslenkung des zwischen den Einformungen 71 und 72 liegenden Rohrquerschnitts radial nach außen auf, nämlich in der Auslenkrichtung A, welche der Einformrichtung einer der Einformungen 71 oder 72 entspricht. Das Knicken ist für einen Fall exemplarisch mit den gebogenen Pfeilen in 2 angedeutet.
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Alternativ oder in Kombination kann auch nur die Rohrwandung 231 radial ausweichen, so dass die Einformung 71 und/oder die Einformung 72 sich vergrößert, wodurch ein Knicken innerhalb des Abschnittes der Rohrwandung 231 erfolgt.
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Bei Knicken wird der axiale Abstand zwischen den Wellenenden 21 und 22 verkürzt, so dass ein weiteres Eindringen der Lenkwelle 2 durch die Spritzwand 5 in den Fahrgastraum wirksam verhindert wird.
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5 und 6 zeigen die Anordnung der Einformungen 71 und 72 in Relation zu einer Schwenkachse S, der Gelenkgabel 41 des Gelenks 4, das näher an dem Deformationsbereich an der Lenkwelle 2 angeordnet ist, um welche die Lenkwelle 2 in dem Gelenk 4 verschwenkbar ist, und welche beispielsweise eine der Achsen eines Gelenkkreuzes bildet.
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Dadurch wird im Crashfall das definierte Knicken um die Biegeachse B begünstigt, wie dies in 7 für eine Situation nach einem Crashfall gezeigt ist.
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Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Lenkwelle 2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in den 8 und 9 erläutert.
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Im ersten Schritt wird ein rohrförmigen Wellenkörper-Rohling 24, der beispielsweise einen hohlzylindrischen Rohrabschnitt aufweist, zwischen zwei einander bezüglich der Längsachse L gegenüberliegenden Pressstempeln 8 angeordnet, die beispielsweise eine keilförmig zusammenlaufende Stirnfläche aufweisen, mit einer parallel zur Biegeachse B liegenden Vorderkante.
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Die beiden Pressstempel 8 werden mit der Presskraft beaufschlagt in der Einformrichtung gegeneinander bewegt, wie in 8 mit den Pfeilen angedeutet, so dass sie unter plastischer Verformung die Einformungen 71 und 72 in die Rohrwandung 231 des Wellenkörpers 23 einpressen, bis der in 9 gezeigte fertige Endzustand erreicht ist. Anschließend werden die Presstempel 8 entgegen der Einformrichtung auseinander bewegt, und die Lenkwelle 2 mit dem eingeformten Soll-Knickbereich 7 kann entnommen werden.
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Der Fertigungsaufwand beschränkt sich auf eine einfache plastische Verformung in einer Richtung und ist erheblich geringer als für die in Stand der Technik eingebrachten umlaufenden Nuten 61.
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In den 10 bis 14 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem zwei Soll-Knickbereiche 7 direkt hintereinander anschließend entlang der Längsachse L der Lenkwelle 2 angeordnet sind. Die Biegelinien B der Knickachsen sind unter 90 Winkelgrad zueinander ausgerichtet.
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Es ist in den 10 und 11 veranschaulicht, wie die direkt aneinander anschließenden Soll-Knickbereiche 7 zueinander um 90 Winkelgrad versetzt winkelig angeordnet sind. Die Figuren sind völlig analog zu den 5 und 6 zu sehen, allerdings mit zwei Soll-Knickbereichen 7.
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In der 12 ist dann ein Beispiel für eine Lenkwelle nach einem Crashfall veranschaulicht. Im Beispiel ist veranschaulicht, wie die Verformung um beide Biegelinien B im Crashfall erfolgt ist.
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In den 13 und 14 ist die Fertigung veranschaulicht, die völlig analog zu der in den 8 und 9 veranschaulichten Lösung erfolgt. Allerdings sind zwei Stempelpaare 8 vorgesehen, die gleichzeitig oder nacheinander die jeweiligen um 90 Winkelgrad winkelversetzt anzuordnenden Einformungen 71 und 72 in den Wellenkörper einbringen.
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Auch in diesem Fall beschränkt sich der Fertigungsaufwand auf eine einfache plastische Verformung in genau zwei Richtungen und ist erheblich geringer als für die in Stand der Technik eingebrachten umlaufenden Nuten 61. Das Werkstück muss nur einmal eingespannt werden und die Stempelpaare 8 werden einfach in einer radialen Richtung zugeführt und wieder auseinander bewegt. Es erfolgt eine umlaufende Bearbeitung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 11
- Lenksäule
- 12
- Trageinheit
- 13
- Lenkspindel
- 14
- Achse
- 15
- Befestigungsabschnitt
- 2
- Lenkwelle
- 21, 22
- Wellenende
- 23
- Wellenkörper
- 231
- Rohrwandung
- 24
- Wellenkörper-Rohling
- 3
- Gelenk
- 4
- Gelenk
- 41
- Gelenkgabel
- 5
- Spritzwand
- 51
- Dichtmanschette
- 6
- Deformationsabschnitt
- 61
- Nuten
- 7
- Soll-Knickbereich
- 71, 72
- Einformungen
- 8
- Pressstempel
- L
- Längsachse
- B
- Biegeachse
- C
- Crashkraft
- A
- Auslenkung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018120314 A1 [0004, 0037]
