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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte spielfreie Lagerung zu ermöglichen.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Gelenkkreuz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Kreuzgelenk gemäß Anspruch 12 und die Lenkwelle gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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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 der Querschnitt der Zapfen im Bereich der Innenlaufbahn als Gleichdick ausgebildet ist.
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Im Folgenden wird die Innenlaufbahn auch kurz als Laufbahn bezeichnet, und die Innenlaufbahn am Zapfen zusammen mit der Außenlaufbahn im Arm, oder auch in einer im Arm festgelegten Hülse, werden gemeinsam im Plural als die Laufbahnen zusammengefasst. Die Kreuzebene kann wegen der darin liegenden Zapfenachsen auch als Zapfenebene bezeichnet werden.
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Erfindungsgemäß hat die um die jeweilige Zapfenachse koaxial umlaufende Innenlaufbahn jedes Zapfens einen von der Kreisform abweichenden, unrunden Querschnitt, konkret in Form eines Gleichdicks. Im Gegensatz dazu haben die im Stand der Technik bekannten Gelenkkreuze Innenlaufbahnen mit kreisrundem Querschnitt.
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Ein Gleichdick ist als geometrische Form dadurch definiert, dass es überall, d.h. in alle Richtungen gemessen, die gleiche Breite hat, die als Abstand zwischen zwei parallelen Geraden gemessen wird, welche den Außenumfang des Gleichdicks auf gegenüberliegenden Seiten berühren. Ein Gleichdick weist definitionsgemäß einen unrunden, von einer Kreisform abweichenden Querschnitt auf. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein von der Kreisform abweichendes Gleichdick ausgebildet. Dabei wird die Breite quer zur Achse, d.h. der Symmetrieachse, gemessen, bei der Erfindung entsprechend quer zur Zapfenachse. Das Gleichdick hat einen sich relativ zu seiner Achse über den Umfang gesehen mehrfach zwischen einem Maximalradius und einem Minimalradius ändernden Radius. Der Minimalradius oder minimale Radius ist dabei gegeben durch den Inkreisradius des Gleichdicks, welcher dem halben Inkreisdurchmesser, der dem Durchmesser des größtmöglichen in das Gleichdick einbeschriebenen Inkreises entspricht, und der Maximalradius oder maximale Radius ist gegeben durch den Umkreisradius, welcher dem halben Umkreisdurchmesser, der dem Durchmesser des kleinstmöglichen, das Gleichdick einschließenden Umkreises entspricht. Im Folgenden werden also die Begriffe Minimalradius, minimaler Radius und Inkreisradius sowie die Begriffe Maximalradius, maximaler Radius und Umkreisradius synonym verwendet. Somit ergibt sich die Breite des Gleichdicks aus dem Umkreisdurchmesser abzüglich der Differenz von Umkreisradius und Inkreisradius.
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Die zumindest im Bereich der Innenlaufbahn abschnittweise unrunden, im Querschnitt als Gleichdick ausgebildeteten 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 relativ geringen, unkritischen Hertz'schen Pressung zu lösen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die erfindungsgemäß unrunden Zapfen eine optimierte Verteilung der auf die Wälzlager einwirkenden Kräfte ermöglichen, wie weiter unten erläutert wird.
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Die Zapfen bzw. die darauf ausgebildeten oder angeordneten Innenlaufbahnen können mittels geeigneter Fertigungsverfahren in die Querschnittsform eines Gleichdicks gebracht werden. Zur Anpassung an konkrete Anwendungsfälle des Gelenkkreuzes kann es maßgeblich sein, dass eine definierte Winkelorientierung des Gleichdicks bezüglich der Zapfenachse und der Kreuzebene erzeugt wird. Dies kann ebenfalls mit einem relativ geringen Fertigungsaufwand erfolgen.
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Mit Vorteil kann in dieses Gleichdick der oben genannte Inkreis mit einem ersten Radius einschreibbar sein und dieses Gleichdick von einem oben genanntem Umkreis mit einem zweiten Radius umschreibbar sein, wobei der Umkreis konzentrisch zum Inkreis angeordnet ist, wobei der Betrag des zweiten Radius grösser ist als der Betrag des ersten Radius.
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Weiter kann mit Vorteil die Innenlaufbahn der Zapfen an mehreren Kontaktabschnitten mit dem Umkreis in Kontakt gelangen und an mehreren Kontaktabschnitten mit dem Inkreis in Kontakt gelangen, wobei die Kontur der Innenlaufbahn stetig differenzierbar zwischen diesen Kontaktpunkten verläuft.
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Es ist dabei besonders zu bevorzugen, wenn die Kontaktabschnitte jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. So ist es zu bevorzugen, wen die Kontaktabschnitte mit dem Umkreis jeweils um 120° versetzt am Umfang verteilt sind und die Kontaktabschnitte mit dem Inkreis jeweils um 120° versetzt am Umfang verteilt sind.
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Es ist vorteilhaft, dass das Gleichdick ein regelmäßiges Bogenvieleck ist. Ein derartiges Bogenvieleck weist in einer vorteilhaften Ausführungsform über seinen gesamten Umfang bogenförmig gerundete Umfangsabschnitte auf, und hat insbesondere keine abgewinkelten Kanten oder Ecken. Mit anderen Worten ist die den Umfang bildende Umfangskurve in vorteilhafter Ausführung in jedem Punkt stetig differenzierbar. Solche Formen sind beispielsweise als Trilobulare oder P3G-Profile bekannt. Durch die Wahl einer solchen Form kann die Änderung der Hertz'schen Pressung über den Umfang vergleichmäßigt werden, und Kraftspitzen und sprunghafte Änderungen der lokalen Pressung werden vermieden.
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P3G-Profile sind beispielsweise aus der Norm DIN32711-1 und DIN32711-2 bekannt.
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Bevorzugt hat das Gleichdick eine ungeradzahlige Seiten- bzw. Eckenzahl. Der Vorteil dabei ist eine verbesserte, kippfreie Abstützung von quer zur Achse einwirkenden Querkräften.
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Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Gleichdick als ein P3G-Profil-Förmiges, trilobularesoder auch als ReuleauxDreieck ausgebildet ist. Ein Reuleaux-Dreieck, sowie das Trilobular oder das P3G-Profil, ist ein regelmäßiges Bogendreieck und stellt ein Gleichdick mit der geringstmöglichen Seitenzahl dar. Dabei zeichnen sich diese Formen dadurch aus, dass sie eine dreieckige Grundform aufweisen, wobei das Zweipunktmass über den Umfang konstant ist. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, dass bei einem gegebenen Zapfenquerschnitt der größtmögliche Durchmesser- oder Radiusunterschied realisierbar ist, verglichen mit höherzahligen Bogenvielecken. Ein weiterer Vorteil der dreizähligen Symmetrie ist, dass eine symmetrische Dreipunktabstützung über den Umfang realisiert wird, die eine räumlich eindeutig definierte Positionierung und Lagerung bietet. Dadurch haben Fertigungstoleranzen einen geringeren Einfluss, was vorteilhaft im Hinblick auf den Fertigungsaufwand ist.
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Alternativ ist es denkbar und möglich, dass das Gleichdick ein höherzahliges, bevorzugt ungeradzahliges Bogenvieleck aufweist, beispielsweise ein Bogenfünfeck, -siebeneck oder dergleichen. Dadurch werden bei einem gegebenen Zapfenquerschnitt geringere Durchmesser- oder Radienunterschiede ermöglicht.
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Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Durchmesserunterschied zwischen einem Umkreisdurchmesser und einem Inkreisdurchmesser des Gleichdicks mindestens 6.5pm, beträgt. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass der Durchmesserunterschied zwischen einem Umkreisdurchmesser und einem Inkreisdurchmesser des Gleichdicks zwischen 20µm und 100µm beträgt und bevorzugt zwischen 40µm und 60µm. Die Durchmesserdifferenz beträgt dabei definitionsgemäß das Zweifache der entsprechenden Radiendifferenz zwischen Umkreisradius und Inkreisradius. 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 Gleichdick-Querschnitt reproduzierbar erzeugt werden kann.
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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, 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.
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Die vorgenannten Durchmesserunterschiede können bevorzugt an Gelenkkreuzen realisiert werden, die für den Einsatz in Lenkwellen von Kraftfahrzeuglenkungen dimensioniert sind, wobei der der Umkreisdurchmesser und der Inkreisdurchmesser zwischen 5 mm und 40 mm betragen. Bevorzugt sind Werte des Maximalradius und Minimalradius zwischen 5 mm und 20 mm und besonders bevorzugt zwischen 7,5 mm und 12,5 mm.
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Das Verhältnis zwischen den Durchmessern zu den Durchmesserunterschieden kann bevorzugt entsprechend im Bereich von etwa 2000 : 1 bis etwa 50 : 1 liegen.
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Eine 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.
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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.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Gleichdick einen parallel zur Kreuzebene ausgerichteten Maximalradius aufweist. Alternativ kann das Gleichdick einen senkrecht zur Kreuzebene ausgerichteten Maximalradius aufweisen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass sämtliche Maximalradien des Gleichdicks die Kreuzebene schneiden.
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Bei einem Gleichdick weist definitionsgemäß ein Maximalradius jeweils von der Achse aus gesehen in die Richtung des maximal über den Inkreis konvex radial nach außen vorstehenden Umfangsabschnitts, und gibt mit anderen Worten die Winkelausrichtung des maximal radial nach außen vorstehenden Scheitelpunkts der Bogenkontur an. Entsprechend hat beispielsweise ein Reuleaux-Dreieck, ein Trilobular oder ein P3G-Profil drei um jeweils 120° versetzte Maximalradien. Entsprechend der vorgenannten Ausführungen ist das Gleichdick in einer vorgegebenen Winkelorientierung dadurch definiert bezüglich der Zapfenachse ausgerichtet, dass jeweils ein bestimmter Maximalradius in einem definierten Winkel α zur Kreuzebene steht, wobei einer parallele Ausrichtung α = 0° entspricht, und einer senkrechten Ausrichtung α = 90°. Die übrigen Maximalradien stehen schräg relativ zur Kreuzebene, entsprechend der Winkelteilung des Bogenvielecks. Für 0° < α < 90° stehen sämtliche Maximalradien schräg zur Kreuzebene und schneiden diese.
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Die definierte Ausrichtung eines bestimmten Maximalradius kann dadurch 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.
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Ein Wälzlager eines Kreuzgelenks kann dadurch erzeugt werden, dass zwei Gelenkgabeln, mehrere Wälzkörper und ein erfindungsgemäßes Gelenkkreuz mit unrunden Zapfen bereitgestellt werden, wobei der als Gleichdick ausgebildete 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 mit kreisrund die bei der Fertigung angestrebte Form gemeint, Abweichungen im für die Fertigung von Lagerbohrungen üblichem Masse werden folglich nicht ausgeschlossen. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, dass sich durch die Montage bedingt, die Form der Außenlaufbahn im Arm einen von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt annimmt. Daraus resultieren die konstruktiven und fertigungstechnischen Vorteile, dass konventionelle Gelenkgabeln weiter eingesetzt werden können, und eine Optimierung durch Kombination mit dem erfindungsgemäßen Gelenkkreuz erfolgen kann.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäß als Gleichdick ausgebildete Innenlaufbahn mit einer bevorzugt kreisrunden Außenlaufbahn kombiniert wird, können die Wälzkörper zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn in Richtung eines Maximalradius des Gleichdicks gemessen ein geringeres Spiel und/oder eine höhere Überdrückung haben, als in Richtung eines Minimalradius des Gleichdicks gemessen. Dadurch haben die radial dazwischen angeordneten Wälzkörper im Umfangsbereich des Maximalradius zwischen den Laufbahnen geringeres radiales Spiel, welches zum Umfangsbereich des Minimalradius hin zunimmt. Dadurch erfolgt eine höhere Stützwirkung im Bereich der Maximalradien.
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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 etwas geöffnet ausgebildet sein.
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Es kann mit Vorteil realisiert sein, dass die Wälzkörper in einem Umfangsabschnitt im Bereich eines Maximalradius zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn elastisch vorgespannt sind, und in einem Umfangsabschnitt im Bereich eines Minimalradius zwischen Innenlaufbahn und Außenlaufbahn weniger oder nicht elastisch vorgespannt sind. Dabei sind die Wälzkörper im unbelasteten Zustand des Kreuzgelenks, in dem keine äußeren Kräfte auf die Wälzlager wirken, in den Umfangsbereichen des Maximalradius, zwischen der Innenlaufbahn und der Außenlaufbahn mit einer radialen Vorspannkraft elastisch eingespannt, die durch elastische Verformung der Laufbahnen erzeugt wird. Im den Umfangsbereichen der Minimalradien, wirkt abhängig von dem Radienunterschied zwischen Maximal- und Minimalradius eine geringere oder keine Vorspannkraft auf die Wälzkörper.
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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 des Maximalradius unter Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften der Zapfen und der Gelenkgabeln vorgegeben werden. Dasselbe gilt für die minimale radiale Vorspannung im Bereich des Minimalradius, die auch bei null liegen kann, wenn das radiale Spiel der Wälzkörper dort null oder größer null ist. Das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Vorspannung kann mit geringem Aufwand durch die Parameter der des Gleichdicks realisiert werden, wobei das Verhältnis der Vorspannungen mit dem relativen Radienunterschied korrespondiert.
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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 dem Gleichdick angenäherten Querschnitts verformt werden kann, wodurch sich die Außenlaufbahn in den Umfangsabschnitten im Bereich der Minimalradien radial nach innen verformt, so dass dort die auf die Wälzkörper wirkende radiale Spannkraft erhöht wird.
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Durch den vorgeschriebenen Wirkmechanismus kann im unbelasteten Zustand bereits eine ausreichend hohe Vorspannung lokal im Umfangsbereich der Maximalradien des Gleichdicks 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 den Umfangsbereichen des Maximalradius auch auf die Umfangsbereiche des Minimalradius 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.
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Durch die Ausgestaltung des Gleichdicks als Bogenvieleck, besonders bevorzugt als Trilobular, P3G-Profil oder Reuleaux-Dreieck, kann die elastische Vorspannung durch eine über den Umfang gleichmäßig und symmetrisch verteilte elastische Verformung der Lagerbohrung und des Zapfens erfolgen, die praktisch vollkommen reversibel ist, und eine hohe Lenkzeitstabilität und Betriebssicherheit ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die oben erwähnte, definierte Dreipunktlagerung, oder ungeradzahlige Mehrpunktagerung bereits ein relativ geringer Betrag der Vorspannkraft für eine spielfreie Momentübertragung ausreicht, so dass positive Betriebseigenschaften bei einer vorteilhaft geringen Hertz'schen Pressung realisiert werden können.
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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 gemäß einer oder Kombinationen der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist. Die Lagerbohrungen der beiden Arme einer Gelenkgabel sind bevorzugt als quer zur Längsachse der Lenkwelle durchgehende Augenbohrungen ausgebildet.
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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.
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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.
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Die Erfindung kann auch für Gelenkkreuze angewendet werden, die in Gelenken, die in Form eines Doppelgelenkes oder Doppelkardangelenks angeordnet sind. Bei den erfindungsgemäßen Doppelkardangelenken sind zwei miteinander verbundene Gelenke vorgesehen, die jeweils ein Gelenkreuz umfassen, dass gemäß den oben genannten Merkmalen ausgeführt ist.
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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 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 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gleichdick-Querschnitt einer Innenlaufbahn eines Gelenkkreuzes gemäß einer der 5 bis 8,
- 10 ein Doppelkardangelenk, das erfindungsgemäße Gelenkkreuze aufweist,
- 11 Gelenkkreuz mit Wälzkörpern und Gelenkkreuzbüchsen in teilweise auseinander gezogener Darstellung.
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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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1 zeigt ein Kraftfahrzeuglenksystem 1 freigestellt in einer schematischen perspektivischen Darstellung.
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Eine Lenkspindel 2 bildet ein erstes Lenkwellenteil, welches eine Lenkwelle im Sinne der Erfindung darstellt. Die Lenkspinde 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Kreuzgelenk 3 umfasst zwei Gelenkgabeln 31, die jeweils 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.
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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 beiden Arme 32 bilden jeweils ein Gelenkjoch.
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Die Zapfenachsen A, B stehen senkrecht aufeinander und liegen in einer gemeinsamen Kreuzebene, der AB-Ebene.
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Der Grundkörper 41 kann bevorzugt als Umformteil ausgebildet sein, an dem die Zapfen 42 einstückig angeformt sind, beispielsweise als kalt umgeformtes Fliesspressteil aus Stahl.
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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. Zur Montage wird die Gelenkkreuzbüchse 51 mit den eingelegten Wälzkörpern 5 wird auf das distale Ende des jeweiligen Zapfens 42 aufgeschoben.
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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.
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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.
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Die Außenlaufbahn 34 hat in unbelastetem Zustand einen kreisrunden Querschnitt.
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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.
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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.
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9 zeigt allgemein einen erfindungsgemäßen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Zapfen 42, der auf seinem Umfang eine Innenlaufbahn 43 aufweist, und ein als Bogenvieleck, konkret als Reuleaux-Dreieck ausgebildetes Gleichdick aufweist. Dieses weist konzentrisch zur Zapfenachse A einen Inkreis mit einem Inkreisdurchmesser d1 auf, und einem Umkreis mit einem Umkreisdurchmesser d2. Die Breite B entspricht der Summe des Umkreisradius R2 = d2/2 (=halber Umkreisdurchmesser d2) und des Inkreisradius r1 = d1/2. Der Umkreisradius R2 entspricht definitionsgemäß dem Maximalradius in dem Umfangsabschnitt, der maximal über den Inkreis konvex radial nach außen vorsteht. Durch die symmetrisch dreizählige Form sind drei Maximalradien gleichmäßig im Winkelabstand von 120° über den Umfang verteilt angeordnet, wobei der Maximalradius R2 in den Figuren jeweils nur einmal eingezeichnet ist, um die Orientierung des Gleichdicks zur Zapfenachse A anzugeben.
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Zwischen dem Inkreisradius r1 und dem Umkreisradius R2 beträgt die Radiendifferenz U = R2 - r1, und die Durchmesserdifferenz entsprechend 2U = 2(R2 - r1).
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In den Figuren sind die unrunde Form des Gleichdicks und entsprechend die Durchmesserdifferenzen 2U nicht massstabsgerecht und nur zur Verdeutlichung des Prinzips stark übertrieben dargestellt.
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Bevorzugt ist die Durchmesserdiferenz 2U > 6.5µm, je nach einem Inkreisdurchmesser d1 oder Umkreisdurchmesser d2 zwischen etwa 5 mm und 20 mm kann die Durchmesserdifferenz 2U größenordnungsmäßig zwischen 20µm und 100µm beträgt und bevorzugt zwischen 40µm und 60µm betragen.
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In 4 ist erkennbar, dass der Zapfen 42 im Bereich der Innenlaufbahn unrund ausgebildet ist, und zwar in Form eines Reuleaux-Dreiecks, wie vorangehend prinzipiell zu 9 erläutert. Zur Verdeutlichung sind in 4 alle drei Maximalradien R2 angedeutet und bezeichnet.
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Im Umfangsbereich der Maximalradien R2 steht die Innenlaufbahn 43 wie in 9 gezeigt radial konvex nach außen über den Inkreis des Gleichdicks vor.
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Entsprechend haben die Wälzkörper 5 im Umfangsbereich im Umfangsbereich eines jeden Maximalradius R2 ein 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.
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Die Abmessungen der Innenlaufbahn 43, der Außenlaufbahn 34 und der Wälzkörper 5 können bevorzugt auch so gewählt werden, dass die Wälzkörper 5 im Umfangsbereich jedes Maximalradius R2 zwischen dem Zapfen 42 und der Lagerbohrung 33 in radialer Richtung elastisch vorgespannt sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper 5 im Umfangsbereich der Minimalradien r1 weniger stark vorgespannt sind, oder dort im wesentlichen keine Vorspannung erfolgt und Radialspiel vorliegt, und folglich die lokale elastische Vorspannkraft gleich null ist.
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In den 6, 7 und 8 sind verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Gelenkkreuzes 4 gezeigt, und zwar jeweils in Richtung der Zapfenachse A, welche mit einer Ansicht in Richtung der gekreuzten Zapfenachse B identisch ist.
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Die Ausführungen unterscheiden sich in dem Betrag des Winkels α (alpha), der zwischen dem in 9 hervorgehobenen (in der Zeichnung senkrecht nach oben gerichteten), bestimmten Maximalradius R2 und der Kreuzebene AB eingeschlossen wird, und entsprechend die Ausrichtung des Gleichdicks angibt.
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In der ersten Ausführungsform gemäß 6 beträgt α = 90°, der zur Ausrichtung bestimmte Maximalradius R2 steht senkrecht zur Kreuzebene AB.
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In der zweiten Ausführungsform gemäß 7 beträgt α = 0° (null), der zur Ausrichtung bestimmte Maximalradius R2 liegt parallel in der Kreuzebene AB.
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In der dritten Ausführungsform gemäß 8 gilt 0° < α < 90°, so dass der zur Ausrichtung bestimmte und auch die übrigen Maximalradien R2 zur Kreuzebene AB schräg geneigt sind.
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Die Ausrichtung des Gleichdicks kann bevorzugt vorgegeben werden, dass 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.
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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. Das 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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- d1
- Inkreisdurchmesser
- r1
- Inkreisradius
- d2
- Umkreisdurchmesser
- R2
- Umkreisradius
- D
- Breite des Gleichdicks
- U
- Radiendifferenz
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014116271 A1 [0006]
