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Die Erfindung betrifft einen Lenksäulenstrang
eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 37 23 034 A1 ist ein
Lenksäulenstrang
für ein
Kraftfahrzeug bekannt. Lenksäulenstränge für Kraftfahrzeuge
zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehrteilig ausgebildet sind,
um bei vorgegebenen Bauraumverhältnissen
das vom Lenkrad auf den Lenksäulenstrang
gebrachte Drehmoment zum Lenkgetriebe zu übertragen. Dazu ist eine das Lenkrad
tragende Lenkspindel mit einer zum Lenkgetriebe führenden
Lenkwelle durch ein drehmomentenübertragendes
Gelenk verbunden. In der Regel werden solche drehmomentenübertragenden
Verbindungen durch Kreuzgelenke hergestellt, damit der Verlauf des
Lenksäulenstrangs
bis zum Lenkgetriebe entsprechend den vorliegenden Bauraumverhältnissen
erfolgen kann. Für
die Komfortverstellung des Lenkrades sowie für eine Schwingungsentkopplung vom
Lenkgetriebe wird in den Lenksäulenstrang
ein axial bewegliches Schwingenelement zwischengeschaltet.
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Das unmittelbar hinter dem Lenkgetriebe zwischengeschaltete
Schwingenelement ist in der
DE
37 23 034 A1 als Einfachschwinge oder Parallelogrammschwinge
ausgebildet, wobei bei beiden Ausführungen ein Koppelglied mit
zwei parallelen Drehachsen vorgesehen ist, die etwa rechtwinklig
zur axialen Erstreckung des Lenksäulenstrangs verlaufen.
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Die Problematik derartiger Schwingenelemente
liegt darin, dass in Abhängigkeit
vom Umdrehungswinkel des Lenksäulenstrangs
dessen Masseschwerpunkt verlagert wird und es dadurch zu unerwünschten
Rückkopplungen
auf die Servolenkung kommen kann, die den Fahrkomfort beeinträchtigen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
einen Lenksäulenstrang
zu entwickeln, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Lenksäulenstrang umfasst eine Lenkspindel,
die das Lenkrad trägt,
sowie eine Lenkwelle, die mit dem Lenkgetriebe verbunden ist. Die
Lenkspindel und die Lenkwelle sind drehmomentenübertragend miteinander verbunden. Diese
drehmomentenübertragende
Verbindung wird - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht durch ein
Kreuzgelenk gebildet, sondern durch ein Koppelglied eines Schwingenelements
und ein Gelenk, das am in Richtung Lenkspindel weisenden Ende der Lenkwelle
angeordnet ist. Gelenk und Koppelglied sind dabei derart zueinander
ausgerichtet, dass die Achse des Gelenks quer zu den beiden parallelen Drehachsen
des Koppelglieds verläuft.
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Durch die direkte Anbindung des Koppelglieds
am Ende der Lenkspindel schneiden sich die Längsachse der Lenkspindel und
die Mittellängsachse
des Koppelglieds immer in einem gemeinsamen Schnittpunkt. Bei entsprechender
Ausgestaltung des Gelenks am in Richtung der Lenkspindel weisenden Ende
der Lenkwelle und der Anbindung an das Koppelglied wird erreicht,
dass auch ein gemeinsamer Schnittpunkt zwischen der Drehachse der
Lenkwelle und der Längsachse
der Lenkspindel besteht. Der Abstand zwischen beiden Schnittpunkten
wird nach Möglichkeit
so gering als möglich
gehalten, so dass die Krafteinleitung der Massenkräfte durch
Relativbewegungen des Lenkgetriebes - insbesondere bei Fahrzeugen
mit einem am Fahrschemel befestigten Lenkgetriebe - der Lenkwelle
und des Schwingenelements eindeutig definiert werden kann. Durch
die definierte Krafteinleitung können
Unwuchten im Lenksäulenstrang
vermieden und damit Rückkopplungen auf
das Lenkrad und Lenkgetriebe unterbunden werden. In Abhängigkeit
des gewünschten
Verschiebewegs der Lenkwelle, der Montierbarkeit der Lenkwelle an
das Lenkgetriebe, des unteren Kreuzgelenks zwischen Lenkwelle und
Lenkgetriebe sowie der Geometrieänderung
des Schwingenelements bei Lenkbewegungen wird die Länge des
Koppelglieds bestimmt. Je kleiner jedoch das Koppelglied dimensioniert
ist, desto kleiner ist das Blockmaß, so dass das Crashverhalten
verbessert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Wenn das Schwingenelement, das Gelenk der
Lenkwelle und die Lenkspindel derart zueinander ausgerichtet sind,
dass die Achse des Gelenks einen gemeinsamen Schnittpunkt mit der
Längsachse
der Lenkspindel bildet, können
die durch Masseträgheit in
den Lenksäulenstrang
eingeleiteten Momente reduziert werden.
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In einer Ausgestaltungsform kann
das dem Lenkrad gegenüberliegende
Ende der Lenkspindel als hakenförmiges
Endteil ausgebildet sein. Der Verlauf des hakenförmigen Endteils ist derart,
dass das hakenförmige
Endteil in einem Abstand zur Längsachse
der Lenkspindel endet. Durch diesen Abstand wird die Größe des Koppelglieds
bestimmt, d.h. je größer der
Abstand zur Längsachse,
desto größer ist das
Koppelglied zu dimensionieren.
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Ein dem hakenförmigen Endteil der Lenkspindel
vorgelagerter Bereich kann als Wellrohr ausgebildet sein. Damit
kann der Lenksäulenstrang
unabhängig
von einer im Crashfall auftretenden Krafteinleitungsrichtung Verformungen
aufnehmen.
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Das Gelenk an der Lenkwelle kann
ein Gabelgelenk mit einem Bolzen sein. Vom Bolzen erstreckt sich
ein s-förmiges,
dem Schwingenelement zugeordnetes Endteil, das um die durch den
Bolzen gebildete Schwenkachse radial zur Lenkwelle verschwenkbar
ist und mit der gegenüberliegenden
Seite an dem Koppelglied angelenkt ist.
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Zur Aufnahme von Verformungen kann
die Lenkwelle zumindest bereichsweise Wellrohrabschnitte aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann das Koppelglied
zwei Seitenplatten umfassen, die von zwei Bolzen durchsetzt sind.
Die Bolzen bilden die parallelen Drehachsen, um die das Koppelglied
ausgelenkt werden kann. Einer der Bolzen ist mit dem s-förmigen Endteil der Lenkwelle
und der andere Bolzen mit dem hakenförmigen Endteil der Lenkspindel
verbunden, so dass das Schwingenelement als Einfachschwinge wirkt.
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Da die Drehachse der Lenkwelle und
die Längsachse
der Lenkwelle in der Regel nicht identisch sind, entsteht ein Hebelarm, über den
eine Momenteneinleitung in die Lenkspindel, also in das Lenkrad
erfolgt. Das Koppelglied kann mit einer Zusatzmasse versehen sein,
damit ein Auswuchten des Lenksäulenstrangs
in sogenannter Konstruktionslage so erfolgt, dass eine Momenteneinleitung
in das Lenkrad unterbleibt. Die Konstruktionslage eines Lenksäulenstrangs
ist dabei die Lage, in der sich das Fahrzeug in Geradeausfahrt befindet.
Die Zusatzmasse sollte so angeordnet sein, dass sich durch entsprechende
Masseverteilung der Gesamtschwerpunkt von Lenkwelle und Schwingenelement
auf der Drehachse der Lenkwelle befindet.
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Unabhängig davon, wie das Schwingenelement
gestaltet ist, ist es für
das Reduzieren der Rückkopplung
auf die Servolenkung wichtig, dass sich sowohl die Achse des Gelenks,
die Drehachse des Wellrohrs als auch die Mittelachse des Koppelglieds mit
der Längsachse
der Lenkspindel schneiden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung sowie weitere Vorteile werden im folgenden anhand der
Zeichnung erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Lenksäulenstrangs.
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Die Darstellung in 1 zeigt einen Lenksäulenstrang 1 für ein nicht
dargestelltes Kraftfahrzeug in einer perspektivischen Ansicht schräg von der
Seite.
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Der Lenksäulenstrang 1 umfasst
eine Lenkspindel 2 sowie eine Lenkwelle 3, die über ein
axial bewegliches Schwingenelement 4 miteinander verbunden
sind.
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Die Lenkspindel 2 nimmt
an ihrem nicht weiter dargestellten, dem Fahrzeuginnenraum zugewandten
Ende ein Lenkrad auf, wobei die Lenkspindel 2 in bekannter
Art und Weise über
ein andeutungsweise dargestelltes Mantelrohr 5 fahrzeugfest gelagert
ist. Das dem Lenkrad gegenüberliegende Ende
der Lenkspindel 2 ist als hakenförmiges Endteil 6 ausgebildet,
das in einem Abstand zur Längsachse ALS der Lenkspindel 2 endet. Ein
dem hakenförmigen Endteil 6 der
Lenkspindel 2 vorgelagerter Bereich ist als Wellrohr 7 ausgebildet.
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Die Lenkwelle 3 steht an
ihrem unteren, dem Motorraum zugewandten Ende über ein Kreuzgelenk 8 mit
dem nicht weiter dargestellten Lenkgetriebe in Verbindung. Der mittlere
Bereich der Lenkwelle 3 wird durch einen Wellrohrabschnitt 9 gebildet,
an den sich ein Gabelgelenk 10 anschließt. Das Gabelgelenk 10 umfasst
zwei Gabeln 11 und 12, zwischen denen sich ein
Bolzen 13 erstreckt. An dem Bolzen 13 ist ein
s-förmiges
Endteil 14 befestigt, so dass das s-förmige Endteil 14 um
die Achse AG des Gabelgelenks 10 gemäß Pfeilrichtung
B verschwenkbar ist. Die Achse AG des Gabelgelenks 10 bildet
immer einen Schnittpunkt S3 mit der Längsachse
ALS der Lenkspindel 2. An dem Bolzen 13 gegenüberliegenden
Ende ist das s-förmige
Endteil 14 an einem Koppelglied 16 des Schwingenelements 4 angelenkt.
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Das Koppelglied 16 umfasst
zwei parallel zueinander verlaufende Seitenplatten 17 und 18,
die an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende von zwei Bolzen 19 und 20 durchsetzt
werden. Der obere Bolzen 19 ist mit dem s-förmigen Endteil 14 der
Lenkwelle 3 und der untere Bolzen 20 ist mit dem
hakenförmigen
Endteil 6 der Lenkspindel 7. drehbar verbunden.
Durch die drehbare Lagerung kann das s-förmige Endteil 14 der
Lenkwelle 3 gemäß Pfeilrichtung
C um die Drehachse DBO des oberen Bolzens
und das hakenförmige
Endteil 6 der Lenkspindel 2 gemäß Pfeilrichtung
D um die Drehachse DBU des unteren Bolzens
verschwenkt werden.
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In Abhängigkeit von der Dimensionierung des
Lenksäulenstrangs 1 wird
eine Zusatzmasse 21 am unteren Ende des Koppelglieds 16 vorgesehen, um
den Lenksäulenstrang 1 für die Rotationsbewegung
auszuwuchten. Die Positionierung und die Größe der Zusatzmasse 21 wird
auf die Rückkopplung auf
die Servolenkung so abgestimmt, dass eine Reduzierung der Drehschwingungen
im Lenkrad erfolgt.
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Wenn also beispielsweise bei der
Lenkradverstellung in Längsrichtung
oder bei Schwingungen, die vom Lenkgetriebe auf den Lenksäulenstrang übertragen
werden, ein axialer Längenausgleich
erforderlich ist, wird dieser durch Auslenkung des Koppelglieds 16 um
dessen Mittellinie K gemäß Pfeilrichtung
E erreicht, wobei die Schwenkachse des Koppelglieds 16 durch
die Drehachse DBU des unteren Bolzens festgelegt
ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
drehmomentenübertragenden
Schwingenelements 4 wird erreicht, dass die Längsachse
ALS der Lenkspindel 2 das Koppelglied 16 etwa
in dessen Mittellinie K in einem Schnittpunkt S1 schneidet.
In Konstruktionslage des Lenksäulenstrangs 1 ist
die Drehachse DLW der Lenkwelle 3,
die nicht identisch sein muss mit der Längsachse AL
W der Lenkwelle 3, so ausgerichtet,
dass eingemeinsamer Schnittpunkt S2 mit
der Längsachse
ALS der Lenkspindel 2 entsteht.
Beide Schnittpunkte liegen optimalerweiser so nah wie möglich beieinander,
um den Hebelarm von Massekräften
zu verkürzen.
Damit werden die in den Lenksäulenstrang
eingeleiteten Momente (durch Massenträgheit) reduziert, so dass Drehschwingungen
des Lenkrades und damit Rückkopplungen
auf den Servolenkungskomfort unterbunden werden.
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Im Crashfall wird infolge von Stirnwandintrusionen
die Lenkspindel 2 erst sehr spät mit hohen Kräften beaufschlagt.
Erst wenn das Schwingenelement 4 vollständig zusammengefaltet ist,
d.h. die Blockbildung erreicht ist, verformen sich das Wellrohr 7 sowie
der untere Wellrohrabschnitt 9. Je kürzer das Blockmaß des Schwingenelements
ist, umso mehr Deformationsweg ergibt sich für die Wellrohrabschnitte 7 und 9.
Durch das Wellrohr 7 wird unter anderem auch sichergestellt,
dass in allen Crashsituationen ein zusätzlicher Deformationsweg zur
Verfügung
gestellt wird, da das Schwingenelement 4 über das
Wellrohr 7 deformierbar mit der Lenkspindel 2 verbunden
ist.