DE102021211769A1

DE102021211769A1 - Gelenkkreuz für ein Kreuzgelenk, Kreuzgelenk, Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs und Lenksystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021211769A1
Application number: DE102021211769.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Galehr; Stefan Frick; Markus Fleissner; Jan Salzer; Michael Wanger; Rayk Steffen Thumser
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gelenkkreuz (4) für ein Kreuzgelenk (3), umfassend zwei Paare von Zapfen (42), die rechtwinklig zueinander gekreuzt in einer Kreuzebene (AB) liegende Zapfenachsen (A, B) haben, und jeweils eine koaxial zur Zapfenachse (42) umlaufende Innenlaufbahn (43) aufweisen, die ausgebildet ist zum Abrollen von Wälzkörpern (5). Um eine verbesserte spielfreie Lagerung zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, dass die Zapfen (42) im Bereich der Innenlaufbahn (43) einen elliptischen Querschnitt haben, mit einem in Richtung einer Hauptachse (H) erstreckten Hauptdurchmesser (DH), der größer ist als ein in Richtung einer Nebenachse (N) senkreckt zur Hauptachse erstreckter Nebendurchmesser (dN).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Gelenkkreuz für ein Kreuzgelenk, umfassend zwei Paare von Zapfen, die rechtwinklig zueinander gekreuzt in einer Kreuzebene liegende Zapfenachsen haben, und jeweils eine koaxial zur Zapfenachse umlaufende Innenlaufbahn aufweisen, die ausgebildet ist zum Abrollen von Wälzkörpern. Ein Kreuzgelenk für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Lenkwelle umfassend ein derartiges Gelenkkreuz sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
In einem Kraftfahrzeug dient die Lenkwelle zur Übertragung des in das Lenkrad eingebrachten Lenkmoments über die Lenkspindel und die Zwischenwelle in das Lenkgetriebe. Zum Ausgleich von Winkelversatz sind im Verlauf der Lenkwelle mindestens ein, üblicherweise zwei Kreuzgelenke eingegliedert, üblicherweise zwischen Lenkspindel und Zwischenwelle sowie zwischen Zwischenwelle und Lenkgetriebe.
Im Grundaufbau weist jedes Kreuzgelenk zwei jeweils an einem Wellenende angebrachte Gelenkgabeln auf, welche jeweils zwei axial in Wellenrichtung erstreckte, einander quer zur Wellenachse gegenüberliegende Arme haben, die ein Joch bilden. Ein Gelenkkreuz weist zwei Paare von entgegengesetzt radial vorstehenden Gelenkzapfen, kurz als Zapfen bezeichnet, auf, die auf rechtwinklig gekreuzten Zapfenachsen angeordnet sind. Die beiden Zapfen eines Paars sind jeweils in einem Arm einer Gelenkgabel in einem Zapfenlager drehbar um ihre Zapfenachse gelagert, die sich quer zur Wellenachse durch die Arme erstreckt. Die Zapfenlager sind als Wälzlager ausgebildet, üblicherweise als Radialwälzlager, wie beispielsweise Nadellager.
Bei der Übertragung einer Drehbewegung zwischen gegeneinander winkelversetzten Wellen über ein gebeugtes Kreuzgelenk ergibt sich abtriebsseitig eine ungleichförmige Drehbewegung, bei der die Drehgeschwindigkeit während einer Umdrehung zweimal beschleunigt und verlangsamt wird. Dadurch wirken auf die Wälzlager der Zapfen in den Gelenkarmen quer zur Zapfenachse stehende, während der Drehung schwankende Querkräfte. Diese Querkräfte wirken parallel zur Kreuzebene zwischen den außen auf den Zapfen umlaufenden Laufbahnen, den Innenlaufbahnen, und den in den Lagerbohrungen der Arme angeordneten Außenlaufbahnen der Wälzlager. Daraus resultiert eine winkelabhängig schwankende, lokal höhere radiale Pressung zwischen den Laufbahnen und den dazwischen angeordneten Wälzkörpern.
Um eine sichere und haptisch angenehme Lenkeingabe zu gewährleisten, ist eine spielfreie Übertragung des in die Lenkwelle eingebrachten manuelle Lenkmoments erforderlich. Das Spiel im Kreuzgelenk kann im Prinzip durch eine radiale Verspannung der Wälzkörper zwischen den Laufbahnen beseitigt werden. Dabei werden jedoch bereits im unbelasteten Zustand die Wälzkörper mit einer Vorspannkraft elastisch gegen die Laufbahnen angepresst. Die im Betrieb auftretenden Querkräfte wirken zusätzlich zur Vorspannkraft, wodurch zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen eine entsprechend erhöhte, potentiell kritische Hertz'sche Pressung auftreten kann. Es besteht folglich ein Zielkonflikt zwischen einer spielfreien Lagerung durch Vorspannung und einer kritischen Belastung der Laufbahnen.
In der DE 10 2014 116 271 A1 an den Zapfen jeweils eine elastisch vorgespannte Axiallagerung vorgesehen. Dadurch kann das gesamte Spiel in gewissem Umfang ausgeglichen werden. Um das radiale Lagerspiel durch Verspannung der Wälzlager möglichst gering zu halten, besteht jedoch weiterhin das Problem ungleichmäßiger, hoher lokaler Belastungen des Lagers und potentiell kritischer Hertz'scher Pressungen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen.
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte spielfreie Lagerung zu ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Gelenkkreuz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Kreuzgelenk gemäß Anspruch 8 und die Lenkwelle gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einem Gelenkkreuz für ein Kreuzgelenk, umfassend zwei Paare von Zapfen, die rechtwinklig zueinander gekreuzt in einer Kreuzebene liegende Zapfenachsen haben, und jeweils eine koaxial zur Zapfenachse umlaufende Innenlaufbahn aufweisen, die ausgebildet ist zum Abrollen von Wälzkörpern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zapfen im Bereich der Innenlaufbahn einen elliptischen Querschnitt haben, mit einem in Richtung einer Hauptachse erstreckten Hauptdurchmesser, der größer ist als ein in Richtung einer Nebenachse senkreckt zur Hauptachse erstreckter Nebendurchmesser.
Im Folgenden wird die Innenlaufbahn auch kurz als Laufbahn bezeichnet, und die Innenlaufbahn am Zapfen zusammen mit der Außenlaufbahn im Arm werden gemeinsam im Plural als die Laufbahnen zusammengefasst. Die Kreuzebene kann wegen der darin liegenden Zapfenachsen auch als Zapfenebene bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß hat die um die jeweilige Zapfenachse koaxial umlaufende Innenlaufbahn jedes Zapfens einen von der Kreisform abweichenden, unrunden Querschnitt, nämlich in Form einer Ellipse. Damit ist sowohl eine Ellipse im geometrischen Sinne umfasst, und bevorzugt auch ausgehend vor der Kreisform abgeflachte, gerundete Formen, die als im Wesentlichen zumindest als angenähert ellipsenförmig angesehen werden können. Im Gegensatz dazu haben die im Stand der Technik bekannten Gelenkkreuze Innenlaufbahnen mit kreisrundem Querschnitt.
Der erfindungsgemäße Querschnitt kann durch die geometrischen Parameter einer Ellipse bestimmt werden. Deren Hauptdurchmesser und Nebendurchmesser schneiden sich im EIlipsenmittelpunkt (Mittelpunkt), der auf der Zapfenachse liegt. Der Hauptdurchmesser ist identisch mit der größeren, maximalen Zapfendicke, und der Nebendurchmesser mit der kleineren, minimalen Zapfendicke, im Bereich der Innenlaufbahn gemessen. Die Ellipse hat einen Inkreis mit einem dem Nebendurchmesser entsprechenden Inkreisdurchmesser, und einen Umkreis mit einem dem Hauptdurchmesser entsprechenden Umkreisdurchmesser. Jeder der vorangehend genannten Durchmesser kann gleichbedeutend durch den entsprechenden Radius bezeichnet werden, der vom Ellipsenmittelpunkt ausgeht und den halben Betrag hat. Von der reinen Ellipse abweichende, zumindest angenähert ellipsenförmige Querschnitte haben analog zumindest eine in einer Richtung größere Zapfendicke und eine senkrecht dazu kleinere Zapfendicke.
Die zumindest abschnittweise unrunden, elliptischen Zapfen ermöglichen eine optimierte Anpassung des erfindungsgemäßen Gelenkkreuzes eine an die in einem Kreuzgelenk wirkenden Belastungen, um eine optimierte Wälzlagerung zu realisieren. Dabei ist es möglich, den eingangs beschriebenen Zielkonflikt zwischen einer möglichst spielfreien Lagerung und einer unkritischen Hertz'schen Pressung zu lösen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die elliptischen Zapfen eine optimierte Verteilung der auf die Wälzlager einwirkenden Kräfte ermöglichen, wie weiter unten erläutert wird.
Die Zapfen bzw. die darauf ausgebildeten oder angeordneten Innenlaufbahnen können mittels geeigneter Fertigungsverfahren in eine elliptische Form gebracht werden. Zur Anpassung an konkrete Anwendungsfälle des Gelenkkreuzes kann es maßgeblich sein, dass eine definierte Orientierung der Hauptachse bezüglich der Zapfenachse und der Kreuzebene erzeugt wird. Dies kann ebenfalls mit einem relativ geringen Fertigungsaufwand erfolgen.
Eine derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung ist in vorteilhafter Weise mit einem vergleichbaren Fertigungsaufwand wie bei konventionellen Zapfen mit kreisrundem Querschnitt realisierbar. Beispielsweise kann das Gelenkkreuz als Umformteil, beispielsweise durch Kaltfliesspressen, erzeugt werden, bevorzugt aus Stahl.
Es ist möglich, dass jeweils eine Innenlaufbahn einstückig an einem Zapfen ausgebildet ist, oder an einem auf dem Zapfen angebrachten Lagerring. Die Innenlaufbahnen können unmittelbar an einem durch plastische Umformung erzeugten Umformteil ausgebildet sein, vorzugsweise bereits durch die plastische Umformung, oder alternativ oder zusätzlich durch eine der plastischen Umformung nachfolgende spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Schleifen oder dergleichen. Es ist ebenfalls möglich, auf den Zapfen jeweils einen separat bereitgestellten Lagerring anzubringen, beispielsweise eine axial offene oder geschlossene Hülse oder Buchse, beispielsweise durch Aufpressen, welche auf ihren Außenumfang die unrunde, elliptische Innenlaufbahn bereits vor dem Anbringen aufweist, oder bei der Anbringung entsprechend verformt wird, beispielsweise durch eine unrunde Grundform des darin eingepressten Zapfens.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Durchmesserunterschied zwischen dem Hauptdurchmesser und dem Nebendurchmesser mindestens 6,5 µm beträgt, bevorzugt jedoch Werte von mehr als 10µm annimmt. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass der Durchmesserunterschied zwischen dem Hauptdurchmesser und dem Nebendurchmesser zwischen 30µm und 70µm und mehr bevorzugt zwischen 40µm und 60µm beträgt Der Durchmesserunterschied ist durch die Differenz von Hauptdurchmesser und Nebendurchmesser gegeben. Dabei erfolgt die Bestimmung des erfindungsgemäßen Durchmesserunterschieds durch eine gemittelte Messung unter Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit und eventueller fertigungstechnisch bedingter Formtoleranzen. Es ist vorteilhaft, dass durch entsprechende Fertigungstechniken, welche plastische und alternativ oder zusätzlich spanende Formgebungsverfahren umfassen können, der erfindungsgemäße elliptische Querschnitt reproduzierbar erzeugt werden kann. Weiterhin hat der Durchmesserunterschied in den angegebenen Wertebereichen den Vorteil, dass dadurch im Betrieb, bei einer Drehung der Zapfen in den Armen, lediglich elastische Verformungen der Laufringe, auch Laufbahnen genannt, der Wälzkörper und des Gelenkkreuzes und der Arme in einer geringen Größenordnung von µm (Mikrometern) auftreten, welche im Wesentlichen vollständig reversibel sind und die Funktion und Langzeitstabilität nicht beeinträchtigen.
Die vorgenannten Durchmesserunterschiede können bevorzugt an Gelenkkreuzen realisiert werden, die für den Einsatz in Lenkwellen von Kraftfahrzeuglenkungen dimensioniert sind, wobei der der Hauptdurchmesser und der Nebendurchmesser zwischen 5 mm und 40 mm betragen. Bevorzugt sind Werte der Nebendurchmesser zwischen 5 mm und 20 mm und besonders bevorzugt zwischen 7,5 mm und 12,5 mm.
Das Verhältnis zwischen den Durchmessern zu den Durchmesserunterschieden kann bevorzugt entsprechend im Bereich von etwa 2000 : 1 bis etwa 50 : 1 liegen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Hauptachse parallel zur Kreuzebene ausgerichtet ist. Alternativ ist es möglich, dass die Hauptachse die Kreuzebene schneidet. Der zwischen Hauptachse und Kreuzebene eingeschlossene Winkel α (alpha) gibt die Ausrichtung der Ellipse an. Dabei bedeutet α = 0° (null) eine parallele Ausrichtung, α = 90° eine senkrechte und 0° < α < 90° eine schräg geneigte Ausrichtung. Die Hauptachse kann entsprechend in Richtung der überwiegenden Kraftkomponente der von außen auf die Lagerung der Zapfen einwirkenden Querkräfte und unter Berücksichtigung der in unbelastetem Zustand vorgegebenen Vorspannkraft bestimmt und vorgegeben werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise mit geringem Aufwand eine optimale Anpassung an die realen Vorgaben im Betrieb erfolgen, die beispielsweise durch den Winkelversatz der an den Lenkwellen angebrachten Gelenkgabeln, die übertragenen Lenkmomente und/oder die radiale Vorspannung der Wälzkörper umfassen können.
Ein Wälzlager eines Kreuzgelenks kann dadurch erzeugt werden, dass zwei Gelenkgabeln, mehrere Wälzkörper und ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz mit unrunden Zapfen bereitgestellt werden, wobei der elliptische Querschnitt der Innenlaufbahn jedes Zapfens bevorzugt definiert bezüglich der Zapfenachse und der Kreuzebene orientiert ist. Die Zapfen werden in die korrespondierenden Lagerbohrungen der Arme eingesetzt, wobei zur Bildung von Wälzlagern jeweils radial zwischen der Innenlaufbahn des Zapfens und der Außenlaufbahn der Lagerbohrung die Wälzkörper in Umfangsrichtung abrollbar eingesetzt werden. Die Außenlaufbahn in dem Arm hat dabei bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt. Dies kann bevorzugt dadurch realisiert sein, dass die Lagerbohrung einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Dabei ist es jedoch denkbar und möglich, dass sich durch die Montage bedingt, die Form der Außenlaufbahn im Arm einen von der exakt kreisrunden Form abweichenden Querschnitt annimmt. Daraus resultieren die konstruktiven und fertigungstechnischen Vorteile, dass konventionelle Gelenkgabeln weiter eingesetzt werden können, und die Optimierung durch Kombination mit dem erfindungsgemäßen Gelenkkreuz erfolgen kann.
Dadurch, dass die erfindungsgemäß elliptische Innenlaufbahn mit einer bevorzugt kreisrunden Außenlaufbahn kombiniert wird, haben die radial dazwischen angeordneten Wälzkörper im Umfangsbereich der Hauptachse, der dem maximalen Zapfendurchmesser entspricht, geringeres radiales Spiel als im Umfangsbereich der Nebenachse.
Vorzugsweise sind die Wälzkörper, die bevorzugt als Nadeln ausgebildet sind, in einem Nadelkäfig oder mehr bevorzugt in einer Gelenkkreuzbüchse oder Nadelbüchse gehalten. Die Büchse kann dabei auf einer Seite vollständig geschlossen oder zumindest teilweise geöffnet ausgebildet sein. Mit einem Dichtring, beispielsweise aus einem elastischen Werkstoff, kann die mit Wälzkörpern und Schmierfett bestückte Büchse nach dem Aufschieben auf den Zapfen verschlossen werden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper in einem Umfangsabschnitt im Bereich der Hauptachse zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn elastisch vorgespannt sind, und in einem Umfangsabschnitt im Bereich der Nebenachse zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn weniger oder nicht elastisch vorgespannt sind. Dabei sind die Wälzkörper im unbelasteten Zustand des Kreuzgelenks, in dem keine äußern Kräfte auf die Wälzlager wirken, in einem Umfangsbereich des maximalen Zapfendurchmessers, entsprechend einem Umfangsabschnitt im Bereich der Hauptachse, zwischen der Innenlaufbahn und der Außenlaufbahn mit einer radialen Vorspannkraft elastisch vorgespannt. Im Umfangsbereich des minimalen Zapfendurchmessers, entsprechend einem Umfangsabschnitt im Bereich der Nebenachse, wirkt aufgrund des Durchmesserunterschieds, entsprechend der Differenz zwischen dem Hauptdurchmesser und dem Nebendurchmesser, eine geringere oder keine Vorspannkraft auf die Wälzkörper.
Der Betrag der maximalen radialen Vorspannung und damit die maximale Hertz'sche Pressung in unbelastetem Zustand kann mit geringem Aufwand durch den Wälzkörperdurchmesser und den lokalen Durchmesserunterschied zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn im Bereich der Hauptachse unter Berücksichtigung deren elastischer Eigenschaften vorgegeben werden. Dasselbe gilt für die minimale radiale Vorspannung im Bereich der Nebenachse, die auch bei null liegen kann. Das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Vorspannung kann mit geringem Aufwand durch die Parameter der Ellipse realisiert werden, wobei das Verhältnis der Vorspannungen mit dem relativen Durchmesserunterschied korrespondiert.
Dadurch, dass erfindungsgemäß die Wälzkörper der Wälzlager selektiv im Bereich des maximalen Zapfendurchmessers radial derart vorgespannt sein können, kann in diesem Bereich in vorteilhafter Weise ein relativ hohes Drehmoment zwischen den Gelenkgabeln und dem Gelenkkreuz auch bei abrupten Lastwechseln spielfrei übertragen werden. Ein daraus resultierender Vorteil ist, dass durch die zusätzlich zur Vorspannung von außen radial einwirkende Kraft die Außenlaufbahn elastisch in Richtung eines ebenfalls elliptischen Querschnitts verformt werden kann, wodurch sich die Außenlaufbahn in den Umfangsabschnitten im Bereich der Nebenachse radial nach innen verformt, so dass dort die auf die Wälzkörper wirkende radiale Spannkraft erhöht wird.
Durch den vorgeschriebenen Wirkmechanismus kann im unbelasteten Zustand bereits eine ausreichend hohe Vorspannung lokal im Umfangsbereich des maximalen Zapfendurchmessers, entsprechend dem Umfangsabschnitt im Bereich der Hauptachse, vorgegeben werden, die eine spielfreie Übertragung einer Drehbewegung sicherstellt. Bei einer hohen Belastung, beispielsweise durch ein hohes eingeleitetes Lenkmoment, kann die zusätzlich auf das Wälzlager quer einwirkende Kraft ausgehend von dem Umfangsbereich des maximalen Zapfendurchmessers auch auf den Umfangsbereich des minimalen Zapfendurchmessers verteilt werden. Dadurch erfolgt eine Vergleichmäßigung der über den Umfang zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen erzeugten Hertz'schen Pressungen. Folglich ist es in vorteilhafter Weise möglich, den eingangs geschilderten technischen Zielkonflikt zu lösen. Es ist somit möglich, die haptischen und sicherheitstechnischen Eigenschaften zu verbessern und gleichzeitig den Verschleiß zu reduzieren.
Bei einem Kreuzgelenk für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Gelenkkreuz und zwei mit der Lenkwelle verbindbaren Gelenkgabeln, wobei das Gelenkkreuz zwei Paare von Zapfen aufweist, die rechtwinklig zueinander gekreuzt in einer Kreuzebene liegende Zapfenachsen haben, und jeweils eine koaxial zur Zapfenachse umlaufende Innenlaufbahn aufweisen, und die Gelenkgabeln jeweils zwei einander gegenüberliegende Arme mit jeweils einer Lagerbohrung mit einer innen umlaufenden Außenlaufbahn aufweisen, in denen jeweils ein Zapfen um eine Zapfenachse drehbar in einem als Wälzlager ausgebildeten Zapfenlager gelagert ist, wobei zwischen der Innenlaufbahn und der Außenlaufbahn Wälzkörper abrollbar angeordnet sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gelenkkreuz ausgestaltet gemäß einer oder Kombinationen der oben beschriebenen Ausführungsformen. Die Lagerbohrungen der beiden Arme einer Gelenkgabel sind bevorzugt als quer zur Längsachse der Lenkwelle durchgehende Augenbohrungen ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Kreuzgelenk kann unter Berücksichtigung der Einbaulage der Lenkwelle, die übertragenen Lenkmomente und/oder der radialen Vorspannung der Wälzkörper optimiert werden, dass eine spielfreie, sicherheitstechnisch und haptisch optimierte Übertagung des Lenkmoments sichergestellt ist, und Verschleiß durch überhöhte Hertz'sche Pressungen und Lagerreibung langfristig, auch unter hohen Belastungen, vermieden werden kann.
Zur Realisierung der oben erläuterten optimierten Verteilung der im Betrieb auf die Wälzlager einwirkenden Kräfte kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn in Richtung der Hauptachse gemessen ein geringeres Spiel haben, als in Richtung der Nebenachse gemessen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Innenlaufbahn erfindungsgemäß einen elliptischen Querschnitt aufweist, und die Außenlaufbahn einen bevorzugt kreisrunden Querschnitt aufweist. Das Spiel, und damit die Vorspannung der Wälzkörper, kann wie oben erläutert durch Form, Abmessungen und die elastischen Eigenschaften der Laufringe, der Wälzkörper und des Gelenkkreuzes und der Gelenkgabel in Bezug auf die jeweilige Anwendung optimiert werden.
Insbesondere ist es möglich, dass die Wälzkörper in einem Umfangsabschnitt im Bereich der Hauptachse zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn elastisch vorgespannt sind, und in einem Umfangsabschnitt im Bereich der Nebenachse zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn weniger oder nicht elastisch vorgespannt sind. Damit können die oben geschilderten Vorteile realisiert werden.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Lenkwelle für eine Kraftfahrzeug-Lenkung, umfassend mindestens ein Kreuzgelenk welches ausgestaltet ist mit einem Gelenkkreuz gemäß einer oder Kombinationen der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen. Eine Kraftfahrzeug-Lenkung mit mindestens einer derartigen Lenkwelle ist ebenfalls von der Erfindung umfasst.
Die Erfindung kann auch für Gelenkkreuze angewendet werden in Gelenken, die in Form eines Doppelgelenkes oder Doppelkardangelenks angeordnet sind. Bei den erfindungsgemäßen Doppelkardangelenken sind zwei miteinander verbundene Gelenke vorgesehen, die jeweils ein Gelenkkreuz umfassen, dass gemäß den oben genannten Merkmalen ausgeführt ist.
Figurenliste
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 ein Kraftfahrzeuglenksystem in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
2 ein erfindungsgemäßes Kreuzgelenk des Kraftfahrzeuglenksystem gemäß 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht, mit der Ansicht auf die geschlossene Gelenkkreuzbüchse,
3 das Kreuzgelenk gemäß 2 in einer weiteren perspektivischen Ansicht, dargestellt ohne Deckel der Gelenkkreuzbüchse,
4 eine vergrößerte Detailansicht von 3,
5 ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz des Kreuzgelenks gemäß 2 bis 4,
6 ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz in einer ersten Ausführung in einer Ansicht in Richtung einer Zapfenachse,
7 ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz in einer zweiten Ausführung in einer Ansicht wie in 6,
8 ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz in einer dritten Ausführung in einer Ansicht wie in 6,
9 ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz in einer vierten Ausführung in einer Ansicht wie in 6,
10 ein Doppelkardangelenk, das erfindungsgemäße Gelenkkreuze aufweist,
11 Gelenkkreuz mit Wälzkörpern und Gelenkkreuzbüchsen in teilweise auseinander gezogener Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
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.
1 zeigt ein Kraftfahrzeuglenksystem 1 freigestellt in einer schematischen perspektivischen Darstellung.
Eine Lenkspindel 2 bildet ein erstes Lenkwellenteil, welches eine Lenkwelle im Sinne der Erfindung darstellt. Die Lenkspindel 1 ist um ihre Längsachse L in einer Lenksäule 10 drehbar gelagert, die über eine Trageinheit 11 an einer nicht dargestellten Fahrzeug-Karosserie anbringbar ist.
Am bezüglich der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs hinteren, fahrerseitigen Ende ist an der Lenkspindel 2 ein Lenkrad 12 angebracht, über das manuelle Lenkbefehle als Drehung der Lenkspindel 2 eingebracht werden können.
Am vorderen Ende ist die Lenkspindel 2 über ein Kreuzgelenk 3 mit einer Zwischenwelle 20 verbunden, welche ein zweites Lenkwellenteil bildet, das ebenfalls eine Lenkwelle im Sinne der Erfindung darstellt. Die Zwischenwelle 20 hat eine Längsachse Z, die gegenüber der Längsachse L der Lenkspindel 2 abgewinkelt ist.
Am vorderen Ende ist die Zwischenwelle 20 über ein weiteres Kreuzgelenk 3, welches im Prinzip baugleich mit dem erstgenannten, bezüglich der Zwischenwelle 20 eingangsseitigen Kreuzgelenk 3 sein kann, mit einer Endwelle 21 verbunden. Die Endwelle 21 kann in an sich bekannter Weise mit einem nicht dargestellten Lenkgetriebe gekuppelt sein.
In der nachfolgenden Erläuterung des Aufbaus des Kreuzgelenks 3 können die Lenkspindel 2, die Zwischenwelle 20 und die Endwelle 21 gleichbedeutend allgemein als Lenkwellenteile 2, 20, 21 oder Lenkwellen bezeichnet sein. Wegen des im Prinzip gleichen Aufbaus erfolgt die Beschreibung anhand des ersten Kreuzgelenks 3 zwischen Lenkspindel 2 und Zwischenwelle 20. Diese kann sinngemäß auf das zweite Kreuzgelenk übertragen werden. In der 11 ist zur besseren Veranschaulichung das Gelenkkreuz mit Wälzkörpern und Gelenkkreuzbüchsen in einer teilweise auseinander gezogenen Darstellung gezeigt.
Das Kreuzgelenk 3 umfasst zwei Gelenkgabeln 31, die an einem Lenkwellenteil 2, 20, 21 angebracht sind. Jede Gelenkgabel 31 weist zwei Arme 32 auf, die sich in Richtung der jeweiligen Längsachse L, Z von dem jeweiligen Lenkwellenteil 2, 20, 21 axial abstehend strecken und einander in radialer Richtung symmetrisch gegenüberliegen. Die beiden Arme 32 bilden jeweils ein Gelenkjoch.
Das Kreuzgelenk 3 umfasst weiterhin ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Gelenkkreuz 4, welches in 5 einzeln freigestellt in einer schematischen perspektivischen Ansicht gezeigt ist. Das Gelenkkreuz 4 weist einen Grundkörper 41 auf, von dem zwei Paare von Zapfen 42 derart abstehen, dass sie paarweise koaxial auf Zapfenachsen A, B liegen.
Die Zapfenachsen A, B stehen senkrecht aufeinander und liegen in einer gemeinsamen Kreuzebene, der AB-Ebene.
Der Grundkörper 41 kann bevorzugt als Umformteil ausgebildet sein, an dem die Zapfen 42 einstückig angeformt sind, beispielsweise als kalt umgeformtes Fliesspressteil aus Stahl.
Jeder Zapfen 42 weist auf seiner Mantelfläche eine erfindungsgemäß ausgestaltete Innenlaufbahn 43 auf. Diese Innenlaufbahn 43 kann, wie im Beispiel dargestellt, einstückig mit dem Zapfen 42 ausgebildet sein, und durch plastische Formgebung, und gegebenenfalls zusätzliche spanende Bearbeitung wie Schleifen oder dergleichen gefertigt sein. Die Wälzkörper 5 sind in der Gelenkreuzbüchse 51 gehalten, die durch einen Deckel 52 abgeschlossen ist. Bevorzugt werden dabei die Wälzkörper ausschliesslich durch ein Schmierfett, das in der Gelenkkreuzbüchse 51 eingebracht ist, gehalten. Weiterhin ist eine Dichtung 53 zur Abdichtung der in Schmierfett eingelegten Wälzkörper 5 vorgesehen. Diese Dichtung 53 ist aus einem elastomeren Werkstoff oder einem Gummi gebildet und wird auf den jeweiligen Zapfen aufgeschoben. Zur weiteren Montage wird anschließend die Gelenkkreuzbüchse 51 mit den eingelegten Wälzkörpern 5 wird auf das distale Ende des jeweiligen Zapfens 42 aufgeschoben. Es ist auch denkbar und möglich, die Dichtung 53 an die Gelenkreuzbüchse 51 anzupressen, und anschließend die Baugruppe, bestehend aus Wälzkörpern 5, Gelenkkreuzbüchse 51 und Dichtung 53 auf das distale Ende des jeweiligen Zapfens 42 aufzuschieben.
Wie in 2 und 3 erkennbar, sind jeweils zwei Zapfen 42 eines Paars in Lagerbohrungen 33 der Arme 32 wälzgelagert. Die Lagerbohrungen 33 verlaufen radial, quer zur jeweiligen Längsachse L, Z als durchgehende Augenbohrungen durch das jeweilige Paar von Armen 32 hindurch.
Jede Lagerbohrung 32 weist eine innen umlaufende Außenlaufbahn 34 auf, wie in der vergrößerten Darstellung von 4. Diese kann - wie im Beispiel gezeigt - innen an einem in der Lagerbohrung 33 eingepressten Lagerring in Form einer Lagerbuchse 35 ausgebildet sein, oder alternativ auch direkt in der Lagerbohrung 33 ausgebildet sein. Dann kann die Lagerbuchse 35 wegfallen.
Die Außenlaufbahn 34 hat in unbelastetem Zustand einen kreisrunden Querschnitt.
Zwischen der Innenlaufbahn 43 eines Zapfens 42 und der Außenlaufbahn 34 einer Lagerbohrung 33 sind Wälzkörper 5 abrollbar angeordnet zur Bildung eines Wälzlagers, beispielsweise bevorzugt zylindrische Nadelrollen.
Die in 4 dargestellte Anordnung für die Zapfenachse A gilt analog für die in dem andern Gelenkjoch gelagerten Zapfen 42 der Zapfenachse B. Jedes der Kreuzgelenke 3 kann bevorzugt gleichartig aufgebaut sein.
In 4 ist erkennbar, dass der Zapfen 42 im Bereich der Innenlaufbahn elliptisch ausgebildet ist. Die Ellipse hat eine Haupteben H und eine senkrecht dazu stehende Nebenebene N, wobei beide Ebenen parallel zur Zapfenachse A sind.
In Richtung der Hauptachse gemessen hat die Innenlaufbahn 43 einen Hauptdurchmesser DH, und senkrecht dazu einen kleineren Nebendurchmesser dN. Die Durchmesserdifferenz zwischen Hauptdurchmesser DH und Nebendurchmesser dN ist bevorzugt größer als 10 µm, und kann besonders bevorzugt zwischen 40 µm und 60 µm betragen. Dabei können der Hauptdurchmesser DH und der Nebendurchmesser dN bevorzugt im Bereich zwischen 5 mm und 40 mm, bevorzugt zwischen 5 mm und 20 mm, besonders bevorzugt zwischen 7,5 mm und 12,5 mm liegen.
In den Figuren sind die unrunde Ellipsenform und entsprechend die Durchmesserdifferenzen nicht massstabsgerecht und nur zur Verdeutlichung des Prinzips stark übertrieben dargestellt.
Im Umfangsbereich des Hauptdurchmessers DH steht die Innenlaufbahn 43 aufgrund des elliptischen Querschnitts radial über den Inkreis der Ellipse vor, dessen Inkreisdurchmesser dem Nebendurchmesser dN entspricht.
Entsprechend haben die Wälzkörper 5 im Umfangsbereich des Hauptdurchmessers DH geringeres radiales Spiel (Radialspiel) zwischen der Innenlaufbahn 43 und der Außenlaufbahn 34, also zwischen dem Außenumfang des Zapfens 42 und dem Innenumfang der Lagerbohrung 33.
Die Abmessungen der Innenlaufbahn 43, der Außenlaufbahn 34 und der Wälzkörper 5 können bevorzugt auch so gewählt werden, dass die Wälzkörper 5 im Umfangsbereich des Hauptdurchmessers DH zwischen dem Zapfen 42 und der Lagerbohrung 33 in radialer Richtung elastisch vorgespannt sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper 5 im Umfangsbereich des Nebendurchmessers dN weniger stark vorgespannt sind, oder dort im wesentlichen keine Vorspannung erfolgt, also die lokale elastische Vorspannkraft gleich null ist.
In den 6 bis 9 sind jeweils in derselben Ansicht in Richtung der Zapfenachse A verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gelenkkreuzes 4 gezeigt.
Die Ausführungen unterscheiden sich in dem Betrag des Winkels α (alpha), der zwischen der Hauptachse H und der Kreuzebene AB eingeschlossen wird, und entsprechend die Ausrichtung der Ellipse angibt, deren Hauptdurchmesser DH auf der Hauptachse H liegt.
In der ersten Ausführungsform gemäß 6 beträgt α = 0° (null), die Hauptachse H liegt parallel in der Kreuzebene AB.
In der zweiten Ausführungsform gemäß 7 beträgt α = 90°, die Hauptachse H steht senkrecht auf der Kreuzebene AB.
In der dritten Ausführungsform gemäß 8 und in der i In der vierten Ausführungsform gemäß 9 ist 0° < α < 90°, die Hauptachse H ist somit schräg geneigt relativ zur Kreuzebene AB, wobei der Betrag des Winkels α in 8 größer ist als in 9, was einer steileren Ausrichtung entspricht.
Die Ausrichtung der Ellipse bevorzugt vorgegeben werden, dass die Hauptachse H unter Berücksichtigung der Richtung der überwiegenden Kraftkomponente der von außen auf die Lagerung der Zapfen einwirkenden Querkräfte und der in unbelastetem Zustand vorgegebenen Vorspannkraft ausgerichtet ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise mit geringem Aufwand eine optimale Anpassung an die realen Vorgaben im Betrieb erfolgen, die beispielsweise den Winkelversatz der Lenkwellenteile 2, 20, 21, die übertragenen Lenkmomente und/oder die radiale Vorspannung der Wälzkörper 5 umfassen können.
In der 10 ist ein Doppelkardangelenk 37 dargestellt, das zwei Kreuzgelenke 3 aufweist, die über ein Verbindungselement 36 miteinander gekoppelt sind. Die beiden Kreuzgelenke 3 umfassen, wie oben bereits ausgeführt, Gelenkgabeln 31, die Arme 32 aufweisen, wobei das Verbindungselement 36 jeweils zwei Arme 32 für jeweils eines der beiden Kreuzgelenke 3 bereitstellt. Die beiden Gelenkkreuze 4, der Kreuzgelenke 3 und/oder die Kreuzgelenke 3 insgesamt sind entsprechend der oben beschriebenen Erfindung ausgeführt, wobei alle Ausführungsformen eingesetzt werden können. Jedes der Gelenkkreuze 4 hat Zapfenachsen A1 und B1 bzw. A2 und B2, die jeweils rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind. Dabei ist die Zapfenachse A1 des einen Gelenkkreuzes 4 relativ zur Zapfenachse A2 des anderen Gelenkkreuzes 4 parallel zueinander ausgerichtet. Es ist jedoch auch denkbar und möglich, die beiden Zapfenachsen A1 und A2 nicht parallel zueinander auszurichten. Die gewünschte Ausrichtung wird durch die Lagerbohrungen 33 in den Armen 32, die am Verbindungselement 36 angeordnet sind, erreicht. Auch durch dieses Doppelgelenk oder Doppelkardangelenk 37 wird eine erste Welle, im Beispiel die Lenkspindel 2 mit der Längsachse L, mit einer zweiten Welle, im Beispiel die Zwischenwelle 20 mit der Längsachse Z, drehbar gekoppelt.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeuglenksystem
10: Lenksäule
11: Trageinheit
2: Lenkspindel
20: Zwischenwelle
21: Endwelle
3: Kreuzgelenk
31: Gelenkgabel
32: Arm
33: Lagerbohrung
34: Außenlaufbahn
35: Lagerbuchse (Lagerring)
36: Verbindungselement
37: Doppelkardangelenk
4: Gelenkkreuz
41: Grundkörper
42: Zapfen
43: Innenlaufbahn
5: Wälzkörper (Nadelrollen)
51: Gelenkkreuzbüchse
52: Deckel der Gelenkkreuzbüchse
53: Dichtung der Gelenkkreuzbüchse
L: Längsachse (der Lenkspindel 2)
Z: Längsachse (der Zwischenwelle 20)
A, B, A1, A2, B1, B2: Zapfenachsen
AB: Kreuzebene
H: Hauptachse
N: Nebenachse
DH: Hauptdurchmesser
dN: Nebendurchmesser (Inkreisdurchmesser)
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014116271 A1 [0006]

Claims

Gelenkkreuz (4) für ein Kreuzgelenk (3), umfassend zwei Paare von Zapfen (42), die rechtwinklig zueinander gekreuzt in einer Kreuzebene (AB) liegende Zapfenachsen (A, B) haben, und jeweils eine koaxial zur Zapfenachse (42) umlaufende Innenlaufbahn (43) aufweisen, die ausgebildet ist zum Abrollen von Wälzkörpern (5) dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen (42) im Bereich der Innenlaufbahn (43) einen elliptischen Querschnitt haben, mit einem in Richtung einer Hauptachse (H) erstreckten Hauptdurchmesser (DH), der größer ist als ein in Richtung einer Nebenachse (N) senkreckt zur Hauptachse erstreckter Nebendurchmesser (dN).
Gelenkkreuz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesserunterschied zwischen dem Hauptdurchmesser (DH) und dem Nebendurchmesser (dN) mindestens 6,5µm beträgt.
Gelenkkreuz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesserunterschied zwischen dem Hauptdurchmesser (DH) und dem Nebendurchmesser (dN) zwischen 30µm und 70µm beträgt.
Gelenkkreuz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptdurchmesser (DH) und der Nebendurchmesser (dN) zwischen 5 mm und 40 mm betragen.
Gelenkkreuz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (H) parallel zur Kreuzebene (AB) ausgerichtet ist.
Gelenkkreuz nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (H) die Kreuzebene (AB) schneidet.
Gelenkkreuz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Innenlaufbahn (43) einstückig an einem Zapfen (42) ausgebildet ist, oder an einem auf dem Zapfen (42) angebrachten Lagerring (35).
Kreuzgelenk (3) für eine Lenkwelle (2, 20, 21) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Gelenkkreuz (4) und zwei mit der Lenkwelle (2, 20, 21) verbindbaren Gelenkgabeln (31), wobei das Gelenkkreuz (4) zwei Paare von Zapfen (42) aufweist, die rechtwinklig zueinander gekreuzt in einer Kreuzebene (AB) liegende Zapfenachsen (A, B) haben, und jeweils eine koaxial zur Zapfenachse (42) umlaufende Innenlaufbahn (43) aufweisen, und die Gelenkgabeln (31) jeweils zwei einander gegenüberliegende Arme (32) mit jeweils einer Lagerbohrung (33) mit einer innen umlaufenden Außenlaufbahn (34) aufweisen, in denen jeweils ein Zapfen (42) um eine Zapfenachse (A, B) drehbar in einem als Wälzlager ausgebildeten Zapfenlager gelagert ist, wobei zwischen der Innenlaufbahn (43) und der Außenlaufbahn (34) Wälzkörper (5) abrollbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkkreuz (4) ausgestaltet ist nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Kreuzgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (5) zwischen Innenlaufbahn (43) und Außenlaufbahn (34) in Richtung der Hauptachse (H) gemessen ein geringeres Spiel haben, als in Richtung der Nebenachse (N) gemessen.
Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlaufbahn (34) einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (5) in einem Umfangsabschnitt im Bereich der Hauptachse (H) zwischen Innenlaufbahn (43) und Außenlaufbahn (34) elastisch vorgespannt sind, und in einem Umfangsabschnitt im Bereich der Nebenachse (N) zwischen Innenlaufbahn (43) und Außenlaufbahn (34) weniger oder nicht elastisch vorgespannt sind
Lenkwelle für eine Kraftfahrzeug-Lenkung, umfassend mindestens ein Kreuzgelenk (3), welches ausgestaltet ist gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9.