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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Flanschanordnung aus zwei miteinander verbundenen Flanschringen, die eine Mehrzahl auf einer um eine Flanschachse umlaufenden Umfangslinie angeordneten Verbindungsmitteln aufweisen, die ausgebildet sind, in einer Trennebene einander gegenüberliegende Flanschflächen der Flanschringe axial gegeneinander zu verspannen, wobei zumindest ein Flanschabschnitt von der Umfangslinie radial abstehend ausgebildet ist, wobei in dem abstehenden Flanschabschnitt des einen Flanschrings mit radialem Abstand zur Umfangslinie ein aus der Flanschfläche vorstehender Stützvorsprung angeordnet ist, der axial gegen die Flanschfläche des anderen Flanschrings abstützbar ist.
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Die Lenksäule eines Kraftfahrzeugs dient zur Eingabe manueller Lenkbefehle über eine Lenkhandhabe, beispielsweise ein Lenkrad. Dieses kann üblicherweise an einem bezüglich der Fahrtrichtung hinteren, der Fahrerposition zugewandten Ende einer Lenkspindel angebracht sein, die in einer Manteleinheit um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. Die Manteleinheit wird von einer mit der Fahrzeugkarosserie verbundenen Trageinheit gehalten.
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In einer konventionellen Lenkung ist die Lenkspindel über ein Lenkgetriebe mechanisch mit den lenkbaren Rädern verbunden. Bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem besteht keine direkte mechanische Verbindung der Lenkwelle mit den Rädern. Stattdessen wird die Drehung der Lenkspindel bei einer manuellen Lenkeingabe mittels elektrischer Drehsensoren erfasst und in elektrische Steuersignale umgesetzt, die elektrische Lenkaktuatoren zur Erzeugung eines Lenkeinschlags der Räder ansteuern.
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Eine gattungsgemäße Lenksäule weist zwei oder mehr funktionale Elemente oder Baugruppen auf, die über eine als Flanschverbindung ausgebildete Schnittstelle miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann ein motorischer Feedback-Aktuator, ein Umdrehungsbegrenzer oder dergleichen an eine die Lenkspindel drehbar lagernde Manteleinheit angeflanscht sein, wie beispielsweise in der
DE 10 2019 215 681 A1 beschrieben.
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Die Flanschverbindung weist zwei korrespondierende Flanschringe auf, deren axial bezüglich einer Flanschachse einander gegenüberliegende Flanschflächen in der Trennebene der Schnittstelle mittels Verbindungsmitteln gegeneinander verspannt werden. Die Verbindungsmittel sind auf einer Umfangslinie, auch als Umfangskontur bezeichnet, um die Flanschachse verteilt angeordnet, und weisen beispielsweise auf einer kreisförmigen oder von der Kreisform abweichenden Umfangslinie angeordnete Flanschbohrungen auf, durch die Befestigungsschrauben oder dergleichen eingesetzt und fixiert sind.
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In den Flächenbereichen der Flanschringe, die zwischen den Verbindungsmitteln liegen oder radial daran angrenzen, sind die Flanschflächen fest gegeneinander anliegend verspannt, dass keine unerwünschten Vibrationen der Flanschringe auftreten können. Ein radial bezüglich der Flanschachse nach außen abstehender Flanschabschnitt, der im Folgenden gleichbedeutend auch als Flanschzunge bezeichnet wird, ist in seinem von der Umfangslinie entfernten Außenbereich jedoch nicht fixiert und kann zu Biegeschwingungen quer zur Trennfläche angeregt werden. Derartige Vibrationen können zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen.
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Aus der
WO 2013/ 066 063 A1 ist eine Lenksäule der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser können nachteilige Vibrationen auftreten.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vibrationen zu vermeiden und die akustischen Eigenschaften zu verbessern.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Lenksäule mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Flanschanordnung aus zwei miteinander verbundenen Flanschringen, die eine Mehrzahl auf einer um eine Flanschachse umlaufenden Umfangslinie angeordnete Verbindungsmittel aufweist, die ausgebildet sind, in einer Trennebene einander gegenüberliegende Flanschflächen der Flanschringe axial gegeneinander zu verspannen, wobei zumindest ein Flanschabschnitt von der Umfangslinie radial abstehend ausgebildet ist, wobei in dem abstehenden Flanschabschnitt des einen Flanschrings mit radialem Abstand zur Umfangslinie ein aus der Flanschfläche vorstehender Stützvorsprung angeordnet ist, der axial gegen die Flanschfläche des anderen Flanschrings abstützbar ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der abstehende Flanschabschnitt bei verspannten Verbindungsmitteln zwischen der Umfangslinie und dem Stützvorsprung auf Biegung vorgespannt ist.
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In dem Bereich entlang des Verlaufs der Umfangslinie liegen die Flanschflächen wie im Stand der Technik in der Trennebene flächig aneinander an und sind durch die Verbindungsmittel axial gegeneinander verspannt. Der abstehende Flanschabschnitt, der im Folgenden gleichbedeutend als Flanschzunge bezeichnet wird, steht von der Umfangslinie aus gesehen über einen Teilbereich des Gesamtumfangs radial nach außen vor. Mit anderen Worten ist er exzentrisch ausgebildet. In einem von der Umfangslinie radial nach außen beanstandeten Bereich ist mindestens ein normal zur Trennebene aus der Flanschfläche vorragender Stützvorsprung vorgesehen, der eine von der Flanschfläche beabstandete Kontaktfläche oder Stützfläche aufweist. Der Stützvorsprung kann eine Stufe aufweisen, oder mindestens einen auf der Flanschfläche ausgebildeten nocken- oder leistenartigen Vorsprung. Der Stützvorsprung kann sich bevorzugt zumindest abschnittweise entlang einem äußeren Randbereich der Flanschzunge erstrecken. Die radiale Abmessung des Stützvorsprungs, nach innen in Richtung auf die Flanschachse zu gemessen, ist kleiner als der Abstand des Stützvorsprungs von der Umfangslinie, auf der die Verbindungselemente liegen.
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In montiertem Zustand liegt der Stützvorsprung mit seiner Kontaktfläche gegen die Flanschfläche des gegenüberliegenden Flanschrings an. Beim Verspannen der Verbindungselemente wird der Stützvorsprung und auch der relativ zu dessen Kontaktfläche angrenzende radiale Innenbereich der Flanschzunge gegen die bevorzugt ebene, gegenüberliegende Flanschfläche des gegenüberliegenden Flanschrings angepresst. Dadurch wird der den Stützvorsprung aufweisende äußere Bereich der Flanschzunge von der Trennebene weg nach hinten belastet, und die Flanschzunge wird elastisch nach hinten gebogen. Dadurch, dass der freie äußere Endbereich der Flanschzunge am Stützvorsprung gegen den gegenüberliegenden Flanschring abgestützt ist, wird ein definierter lokaler Kontakt erzeugt, wodurch bereits die Neigung zu Vibrationen im Vergleich zu der flächigen Anlage der Flanschzunge in Stand der Technik reduziert wird. Die Biegebelastung sorgt dabei für eine definierte elastische Vorspannung und einen sicheren, federbelasteten Kontakt der Kontaktfläche des Stützvorsprungs mit dem gegenüberliegenden Flanschring. Dadurch können Vibrationen der Flanschzunge unterdrückt werden, und entsprechend kann eine unerwünschte Geräuschentwicklung vermieden werden. Es kann eine effektive Optimierung der akustischen Eigenschaften der Lenksäule erfolgen.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der abstehende Flanschabschnitt bei verspannten Verbindungsmitteln zwischen der Umfangslinie und dem Stützvorsprung auf Biegung vorgespannt ist. Zwischen dem Stützvorsprung und den Verbindungsmitteln hat die Flanschzunge abschnittweise Abstand zur gegenüberliegenden Flanschfläche. Dieser Bereich wird quer zur Flanschachse elastisch durchgebogen. Mit anderen Worten bildet die Flanschzunge eine Art Blattfeder, die einseitig durch die Verbindungselemente eingespannt ist. Die auf den Stützvorsprung wirkende Federkraft kann konstruktiv einfach und betriebssicher durch den biegeelastischen Querschnitt der Flanschzunge angepasst werden. Die auf die Kontaktfläche des Stützvorsprungs wirkende Biegespannung kann einfach dadurch größer vorgegeben werden, dass der Stützvorsprung weiter aus der Flanschfläche axial vorsteht.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Stützvorsprung in einem äußeren Randbereich des abstehenden Flanschabschnitts angeordnet ist. Dadurch, dass die Flanschzunge in ihrem äußeren, am weitesten radial abstehenden Randbereich erfindungsgemäß vorgespannt und fixiert ist, können nach außen frei vorstehende Bereiche der Flanschzunge minimiert werden, und dadurch Vibrationen wirkungsvoll reduziert werden.
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Es ist vorteilhaft, dass der Stützvorsprung einstückig mit dem Flanschring ausgebildet ist. Der Vorsprung kann mit geringem Fertigungsaufwand angeformt werden, beispielsweise durch plastische Umformung wie Biegen, Prägen, Pressen, Schmieden oder dergleichen, beispielsweise in Form einer Falz, einer Sicke, einer Mulde oder dergleichen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Flanschring aus einem gut massiv umformbaren Material besteht, beispielsweise Stahl, Buntmetalle, Aluminium oder dergleichen. Es ist auch denkbar und möglich den Stützvorsprung in einem anderen formgebenden Fertigungsverfahren auszubilden, beispielsweise im Druckguss oder dergleichen. Ebenfalls denkbar und möglich ist, dass der Stützvorsprung mittels eines zerspanenden Verfahrens gebildet wird, beispielsweise durch Fräsen oder Drehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Flanschachse parallel zu einer Längsachse der Lenksäule angeordnet ist. Eine derartige Anordnung kann vorteilhaft für einen Feedback-Aktuator, eine Bremse, einen Umdrehungsbegrenzer oder eine andere Baugruppe sein, die koaxial über eine erfindungsgemäße Verbindung an der Lenksäule angebracht ist. Die Flanschflächen der Flanschringe stehen dabei senkrecht zur Längsachse.
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Es ist möglich, dass ein Flanschring an einer Manteleinheit angeordnet ist. In der Manteleinheit kann bevorzugt eine Lenkspindel um die Längsachse drehbar gelagert sein, an deren bezüglich der Fahrtrichtung hinteren, der Fahrerposition zugewandten Ende eine manuelle Lenkhandhabe wie ein Lenkrad oder dergleichen angebracht sein kann. Bevorzugt kann beispielsweise ein Feedback-Aktuator erfindungsgemäß mit einem Gehäuse der Manteleinheit verbunden sein, beispielsweise in einer koaxialen Anordnung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführung kann vorsehen, dass der Flanschring an einem in Richtung der Längsachse relativ zur Manteleinheit verstellbaren Innenmantelrohr angeordnet ist. Dadurch, dass das Innenmantelrohr in der durch die Längsachse vorgegebenen Längsrichtung teleskopartig verstellbar in einem Außenmantel, Führungskasten oder dergleichen aufgenommen ist, kann eine Längsverstellung der Lenksäule realisiert werden. Dabei ist es wesentlich, dass keine störenden Vibrationen am Innennenmantelrohr auftreten können, was durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sichergestellt werden kann.
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Es ist vorteilhaft, dass die Lenksäule als Steer-by-Wire-Lenksäule ausgebildet ist. Diese weist keine durchgehende mechanische Verbindung der Lenkspindel mit den zu lenkenden Rädern auf. Es ist alternativ auch möglich, eine erfindungsgemäße Flanschverbindung an einer konventionellen, mechanisch gekoppelten Lenkung zu realisieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Flanschring an einem Feedback-Aktuator angeordnet ist. Der Feedback-Aktuator umfasst eine Drehmomenterzeugungseinrichtung, beispielsweise einen motorischen Antrieb und/oder eine Bremseinrichtung, die ausgebildet ist, um ein Feedback-Moment in die Lenkspindel einzukoppeln. Durch die Erfindung kann eine sichere Flanschverbindung realisiert sein, die eine geringere Schwingneigung und eine höhere Eigenfrequenz der Lenksäule ermöglicht, wodurch optimierte akustische Eigenschaften ermöglicht werden.
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Eine vorteilhafte Ausführung kann dadurch realisiert sein, dass der eine Flanschring an einem Gehäuse ausgebildet ist, wobei der abstehende Flanschabschnitt einen Gehäuseinnenraum axial verschließt oder zumindest abdeckt. Das Gehäuse kann beispielsweise ein Feedback-Aktuator-Gehäuse, ein Mantelgehäuse oder dergleichen sein, welches eine mechanische Schnittstelle zu einer daran angebrachten Baugruppe oder einem Bauelement aufweist. Das Gehäuse kann einen Gehäuseinnenraum aufweisen, welcher radial außerhalb der Umfangslinie der Verbindungselemente angeordnet ist und zur Flanschfläche gerichtet offen ist, also eine Art offene Kammer bilden kann. Die Flanschzunge des daran angebrachten anderen Flanschrings kann diesen Gehäuseinnenraum axial verschließen, d.h. eine Art Deckel für eine neben der Umfangslinie angeordnete Kammer oder Öffnung des Gehäuses bilden.
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Es ist möglich, dass die Verbindungsmittel axiale Flanschbohrungen in den Flanschringen umfassen. Die Flanschbohrungen können als axiale Durchgangsbohrungen oder als ein Innengewinde aufweisende Gewindebohrungen in den Flanschringen ausgebildet sein. Diese können auf einer als Lochkreis ausgebildeten Umfangslinie angeordnet sein, oder auf einer von der Kreisform abweichenden Umfangslinie. Die Flanschverbindung erfolgt in an sich bekannter Weise mittels durch die Flanschbohrungen eingesetzter Flanschbolzen oder Schrauben, die durch festschrauben für die Verspannung der Flanschringe sorgen.
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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 schematische perspektivische Darstellung eines Lenksystems,
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lenksäule,
- 3 eine schematisch auseinander gezogene Teildarstellung der Lenksäule gemäß 2,
- 4 eine weitere schematisch auseinander gezogene Teildarstellung der Lenksäule gemäß 2,
- 5 eine vergrößerte Detaildarstellung von 4,
- 6 einen Längsschnitt durch die Lenksäule gemäß 2 bis 5,
- 7 eine vergrößerte Detaildarstellung von 6.
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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 eine erfindungsgemäße Lenksäule 1 als Teil eines Lenksystems 10 eines hier nicht dargestellten Kraftfahrzeugs.
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Die Lenksäule 1 umfasst eine Manteleinheit 2, in der eine Lenkspindel 3 um eine Längsachse L drehbar gelagert ist. Am bezüglich der Fahrtrichtung hinteren, der Fahrerposition zugewandten Endabschnitt ist an einem Befestigungsabschnitt 31 ein Lenkrad 32 befestigt.
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Die Lenksäule 1 kann wie in 1 gezeigt als konventionelle Lenksäule ausgestaltet sein, bei der die Lenkspindel 3 über Zwischenwellen 33 mechanisch mit lenkbaren Rädern gekoppelt ist. Alternativ kann die Lenksäule 1 als Steer-by-Wire-Lenksäule ausgebildet sein, bei der die Lenkspindel 3 nicht mechanisch mit zu lenkenden Rädern verbunden ist, und nur hinten, fahrerseitig zur Anbringung des Lenkrads 32 vorsteht. Eine Ausführung einer derartigen Steer-by-Wire-Lenksäule 1 ist in den nachfolgenden 2 bis 7 erläutert.
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Die Manteleinheit 2 ist in einer Trageinheit 4 gehalten, die an der Karosserie des Fahrzeugs anbringbar ist.
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Ein Innenmantelrohr 5 ist zur Längsverstellung der Lenkradposition in Richtung der Längsachse L relativ zur Manteleinheit 2 verstellbar, wie in 2 mit dem Doppelpfeil angedeutet ist. ein motorischer Feedback-Aktuator 6 ist erfindungsgemäß mit dem Innenmantelrohr 5 verbunden, wie im Folgenden erläutert wird.
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Das Innenmantelrohr 5 weist einen Flanschring 51 auf, der koaxial zur Längsachse L angeordnet ist, wie aus der Ansicht aus 4 entnehmbar ist. Der Flanschring 51 weist drei axial durchgehende Bohrungen 52 (Flanschbohrungen) auf, die auf einer in 4 gestrichelt eingezeichneten Umfangslinie U, im Beispiel einem Lochkreis, angeordnet sind.
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Der Feedback-Aktuator 6 weist einen mit dem Flanschring 51 korrespondierenden Flanschring 61 auf. Dieser weist mit den Bohrungen 52 fluchtende, korrespondierende Gewindebohrungen 62 auf. Mittels durch die Bohrungen 52 hindurchgeführter Schrauben 21 kann der Flanschring 51 axial gegen den Flanschring 62 festgespannt werden. Dabei wird eine axiale Flanschfläche 53 gegen eine dieser axial gegenüberliegende Flanschfläche 63 in einer Trenn- oder Flanschebene verspannt.
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Der Flanschring 51 weist eine radial über die Umfangslinie U nach außen vorstehende Flanschzunge 54 auf, welche einen abstehenden Flanschabschnitt im Sinne der Erfindung bildet. Im äußeren radialen Randbereich weist dieser einen aus der Flanschfläche 53 axial vorstehenden, in 4 parallel zur Längsachse L verlaufenden Stützvorsprung 55 auf. Dieser kann als Steg oder Leiste ausgebildet sein, bevorzugt einstückig mit dem Flanschring 51 ausgebildet, und kann wie dargestellt entlang dem radial äußeren Rand der Flanschzunge 54 verlaufen.
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Die vorstehende Kontaktfläche des Stützvorsprungs 55 kann sich im montierten Zustand gegen einen korrespondierenden Flächenabschnitt 65 der Flanschfläche 63 axial abstützen, der in 5 vergrößert gezeigt ist.
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Der montierte Zustand ist in 6 und 7 im Schnitt gezeigt, wobei in 7 eine vergrößerte Detaildarstellung der Flanschzunge 54 gezeigt ist.
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Mittels der Schrauben 21 wird der Flanschring 51 axial mit seiner Flanschfläche 53 gegen die korrespondierende Flanschfläche 63 des Flanschrings 61 im Bereich der Umfangslinie U fest anliegend verspannt. Dabei stützt sich der Stützvorsprung 55 gegen den Flächenabschnitt 65 ab, so dass die Flanschzunge 54 von der Trennebene weg auf Biegung beansprucht wird, wie in 7 mit dem gebogenen Pfeil angedeutet ist. Dabei wird die Flanschzunge 54 zwischen Umfangslinie U und Stützabschnitt 55 derart elastisch durchgebogen und vorgespannt, dass der Stützvorsprung 55 unter Federspannung definiert gegen die Flanschfläche 63 angepresst wird.
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Durch die Flanschzunge 54 kann beispielsweise ein radial außerhalb der Umfangslinie U angeordneter Innenraum 66 des Flanschrings 61 abgedeckt werden, in dem eine funktionale Baugruppe 7 des Feedback-Aktuators 6 untergebracht sein kann, beispielsweise ein elektrisches Sensor-, Steuer-, Anschlusselement oder dergleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksäule
- 10
- Lenksystem
- 2
- Manteleinheit
- 21
- Schrauben
- 3
- Lenkspindel
- 31
- Befestigungsabschnitt
- 32
- Lenkrad
- 4
- Trageinheit
- 5
- Innenmantelrohr
- 51
- Flanschring
- 52
- Bohrungen (Flanschbohrungen)
- 53
- Flanschfläche
- 54
- Flanschzunge (abstehender Flanschabschnitt)
- 55
- Stützvorsprung
- 6
- Feedback-Aktuator
- 61
- Flanschring
- 62
- Gewindebohrungen
- 63
- Flanschfläche
- 65
- Flächenabschnitt
- 66
- Innenraum
- 7
- Baugruppe
- L
- Längsachse
- U
- Umfangslinie
