DE19752468A1 - Drehschieberventil für Servolenkungen und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehschieberventil für Servolenkungen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Verwendung eines Expanders bei der Herstellung.

Drehschieberventile für Servolenkungen bei Kraftfahrzeugen umfassen üblicherweise unter anderem eine Steuerbüchse, in der drehbar der Drehschieber mit seinen Steuernuten angeordnet ist. In dem Drehschieber wiederum ist ein Drehstab eingesetzt, der an dem lenksäulenseitigen Ende des Drehschiebers drehfest mit diesem verbunden und an dem gegenüberliegenden Ende in einem Nadellager drehbar gelagert ist. Die gesamte Anordnung ist in etwa rotationssymmetrisch um die gemeinsame Drehachse. Der Drehstab erlaubt ein gewisses Verdrehen zwischen der Lenksäule, genauer gesagt der Lenkspindel und dem Antriebsritzel des Lenkgetriebes. Da der Drehschieber nur an dem eingangsseitigen Ende des Drehstabes drehfest befestigt ist, bewirkt diese Verdrehung eine Lageänderung der Steuernuten des Drehschiebers gegenüber der Steuerbüchse und damit ein hydraulisches Steuersignal, das letztendlich zur Betätigung der Servounterstützung führt.

Die Befestigung des Drehstabes in dem Drehschieber erfolgt üblicherweise in einem Schaftabschnitt des Drehstabes. In der Nähe dieses Bereichs wird eine radiale, den Drehschieber und den Drehstab mittig durchsetzende Bohrung eingebracht und die beiden Bauelemente durch diese Durchgangsbohrung hindurch miteinander verstiftet. Das Einbringen dieser Durchgangsbohrung durch die beiden Bauelemente hindurch ist in der Praxis nicht problemlos, weil das zu verwendende Material recht hart ist. Außerdem müssen während des Bohrvorgangs entstehende Späne sowie die dabei entstehende Wärme abgeführt werden. Schließlich ist die erzielte Verbindung nicht dicht gegenüber dem innerhalb des Drehschiebers und um den Federabschnitt des Drehstabes herum befindlichen Fluid. Es muß also für eine zusätzliche Abdichtung, beispielsweise in Gestalt eines O-Rings, Sorge getragen werden.

Eine weitere Verbindungstechnik für Drehschieberventile von Servolenkungen sieht vor, daß der Schaftabschnitt des Drehstabes mit einer koaxialen Sackbohrung versehen wird, in die dann in der Befestigungsposition eine Kugel eingepreßt oder eingeschlagen wird. Die Kugel weist einen geringfügig größeren Durchmesser auf als der Innendurchmesser der Sackbohrung, so daß der Schaftabschnitt des Drehstabes erweitert und damit in der Bohrung des Drehschiebers befestigt wird. Diese Befestigungstechnik führt zu erheblichen Axialkräften auf den Drehstab, dessen Federabschnitt hierdurch beeinträchtigt werden kann. Es ergeben sich Nachteile für die Präzision, mit der beispielsweise die kräftefreie hydraulische Mittellage des Ventils justiert werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Drehschieberventil für Servolenkungen zu schaffen, das bei hoher Präzision einfacher zu fertigen ist. Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Fertigung eines Drehschieberventils bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird von einem Drehschieberventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, von einem Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch Verwendung eines Expanderverschlusses nach den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Weil die drehfeste Verbindung durch Innenausweiten des Drehstabes im wesentlichen ohne Einwirkung von Axialkräften auf die Drehstabfeder erzeugt ist, wird einerseits eine Verbindung ohne spanende Bearbeitung geschaffen und andererseits eine Beeinträchtigung der Drehstabfeder vermieden.

Wenn im Bereich des ersten Endes ein zum Innenaufweiten in radialer Richtung wirkendes Expanderelement angeordnet ist, kann die Aufweitung rein mechanisch und somit mit geringem Aufwand erfolgen. Es ist auch möglich, die Verbindung durch hydraulisches Innenaufweiten zu erzeugen. Wenn weiterhin in der Bohrung des Drehstabes ein Zuganker sowie ein Widerlager vorgesehen sind, können diese zum Expandieren gegeneinander verkeilt werden, so daß ein unerwünschtes Lösen zuverlässig vermieden wird. Das Widerlager kann nach dem Einsetzen des Zugankers mit dem Drehstab einstückig gefertigt werden, indem beispielsweise die den Zuganker umgebende Bohrungswand öffnungsseitig verjüngt wird. Hierdurch wird ein Bauelement eingespart.

Eine besonders feste Verbindung und eine gute Abdichtung des Drehstabes in dem Drehschieber ergibt sich, wenn der Zuganker ein in die Bohrung weisendes rundes Ende größeren Durchmessers aufweist und das Widerlager in axialer Richtung zwischen dem Ende des Zugankers und dem ersten Ende der Drehstabfeder angeordnet ist, insbesondere wenn das Widerlager den Zuganker ringförmig umgibt. In diesem Fall wird ein ringförmiger Bereich des Drehstabes durch Innenaufweiten fest in Anlage mit der Bohrungsinnenseite des Drehschiebers gebracht und erfüllt besonders hohe Ansprüche an das übertragbare Drehmoment sowie die erforderliche hohe Auszugskraft.

Für eine zuverlässige Verbindung ist es weiter von Vorteil, wenn der Zuganker eine Sollbruchstelle aufweist, in deren Bereich der Zuganker bei Erreichen einer für die drehfeste Verbindung ausreichenden axialen Zugkraft abreißt. Der Zuganker kann dann einfach in der Bohrung des Drehstabes verbleiben.

Weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst das Einführen eines etwa rotationssymmetrischen Drehstabs in einen ebenfalls etwa rotationssymmetrischen, mit einer koaxialen Bohrung versehenen Drehschieber vorgesehen ist, weiter das Einführen eines Expanderelements, das einen Zuganker oder einen Hydraulikexpander umfaßt, in dem zumindest an einem Ende ein eine koaxiale Bohrung aufweisender Drehstab vorgesehen ist und schließlich das Expandieren des Expanderelements in radialer Richtung mittels Hydraulikkraft oder einer auf den Zuganker einwirkenden Kraft in Axialrichtung bis zur drehfesten Verbindung des Drehstabes mit dem Drehschieber erfolgt, entfallen die bislang erforderlichen Fertigungsschritte, die entweder spanende Bearbeitung in der endgültigen Montageposition oder eine über den Federabschnitt des Drehstabes eingeleitete Axialkraft bedingten.

Es ist von Vorteil, wenn nach dem Einführen des Expanderelements ein Widerlager in das offene Ende des Drehstabs eingeführt oder ein solches durch Verjüngen der Bohrung des Drehstabs gebildet wird. In letzterem Fall ist das Expanderelement nach diesem Verfahrens schritt in dem Drehstab unverlierbar gehalten. Dieser Verfahrensschritt kann bereits bei der Fertigung des Drehstabes vor dem Zusammenfügen von Drehstab und Drehschieber erfolgen.

Wenn zusätzlich vorgesehen ist, daß unmittelbar vor dem Expandieren das Drehschieberventil auf eine hydraulische Mittellage justiert wird, ist bezüglich dieser Einstellung eine besonders hohe Präzision gewährleistet. Die aus der Zugkraft resultierende Reaktionskraft wird auf besonders kurzem Wege aus dem Drehstab abgeleitet, wenn eine Abstützung gegen die die Bohrung umgebende Stirnseite des Drehstabes oder unmittelbar gegen das Widerlager abgestützt wird. Im letzteren Fall ist der Drehstab praktisch axialkraftfrei. Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Zugkraft dem Betrag und der Zeit nach so ausgeübt wird, daß der Zuganker vorzugsweise im Bereich einer Sollbruchstelle abreißt. Außerdem kann ein Teil des Zugankers sowie das Widerlager in der Bohrung des Drehstabs verbleiben. In dem aufgeweiteten Bereich, der die Verbindung zwischen dem Drehstab und dem Drehschieber herstellt, wird dann eine feste Abstützung in axialer Richtung nach innen gewährleistet.

Schließlich ist es von Vorteil, wenn die drehfeste Verbindung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung rein reibschlüssig erfolgt, weil hierdurch jede beliebige Position, wie sie für eine präzise Einstellung der hydraulischen Mittellage erforderlich ist, fixiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird außerdem eine neue Verwendung für einen zum Verschließen von Bohrungen an Hydraulikbauteilen vorgesehenen Expanderverschluß geschaffen. Diese Verwendung besteht in der Erzeugung einer drehfesten Verbindung zwischen einem Drehschieber und einem Drehstab bei der Fertigung eines Drehschieberventils für Servolenkungen. Insbesondere ist die Verwendung eines Expanderverschlusses in der Bauform eines Konusexpanders vorteilhaft.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Drehschieberventil für eine Kraftfahrzeugservolenkung in einem Querschnitt von der Seite; sowie

Fig. 2 den Verbindungsbereich des Drehstabs in einer Ausschnittsvergrößerung.

In der Fig. 1 ist ein Drehschieberventil insgesamt mit 1 bezeichnet. Das Drehschieberventil 1 umfaßt einen Drehschieber 2 mit einem verzahnten Anschlußbereich 3 für eine nicht dargestellte untere Lenkspindel. Der Drehschieber 2 trägt eine innere, abgestufte Durchgangsbohrung 4, in die ein Drehstab 5 eingesetzt ist. Weiterhin ist der Drehschieber 2 im Bereich von Steuernuten 6 von einer Steuerbüchse 7 umgeben, in der in an sich bekannter Weise verschiedene Hydrauliksteuerkanäle 8 angeordnet sind.

Der Drehstab 5 wiederum weist einen der Lenksäule zugewandten Schaftabschnitt 10 auf, der im Bereich der Verzahnung 3 in der Bohrung 4 des Drehschiebers einliegt. An seinem gegenüberliegenden Ende weist der Drehstab 5 einen zweiten Schaftabschnitt 11 auf, der über ein Nadellager 12 in dem Drehschieber 2 drehbar gelagert ist. Zwischen den Schaftabschnitten 10 und 11 ist der Drehstab 5 in seinem Querschnitt verjüngt und bildet somit eine Torsionsfeder 13, die mit den Schaftabschnitten 10 und 11 einstückig ist. Schließlich umfaßt das Drehschieberventil noch in ebenfalls an sich bekannter Weise eine Abtriebswelle 14, die mit einer Verzahnung 15 für den Antrieb eines nicht dargestellten Antriebsritzels des Lenkgetriebes versehen ist.

In dem Schaftabschnitt 10 ist der Drehstab 5 mit einer Sackbohrung 20 versehen, die mittig und achsparallel eingebracht ist und den Schaftabschnitt 10 etwa zu drei Vierteln durchsetzt. In der Sackbohrung 20 ist ein Expanderelement in Gestalt eines Konusexpanders 21 vorgesehen, der einen Zuganker 22 und ein Widerlager 23 umfaßt. Der Drehschieber 2, der Drehstab 5 sowie das Widerlager 23 schließen an der von den Bohrungen 4 bzw. 20 durchsetzten Stirnseite bündig miteinander ab.

Bei der Fertigung des Drehschieberventils 1 werden zunächst die verschiedenen Bauelemente, also der Drehschieber 2, die Steuerbüchse 7, der Drehstab 5 sowie das Nadellager 12 zusammengefügt. Sodann wird auf einem hydraulischen oder pneumatischen Prüfstand die relative Winkelposition des Drehschiebers 2 zu der Steuerbüchse 7 so eingestellt, daß diese kräftefrei sind, wodurch die hydraulische Mittellage für den späteren Betrieb im Kraftfahrzeug definiert ist. In dieser Position müssen der Drehstab 5 und der Drehschieber 2 im Bereich des Schaftabschnitts 10 drehfest miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck wird der Konusexpander 21 in der Sackbohrung 20 expandiert. Im einzelnen erfolgt dieser Vorgang dadurch, daß das Widerlager 23 stirnseitig abgestützt wird und sodann der Zuganker 22 über eine nicht dargestellte Zugstange in das Widerlager 23 hineingezogen wird. Die Zugkraft ist dabei so groß zu wählen, daß der konusförmige Zuganker 22 das Widerlager 23 und die Wandung des Drehstabs 5 im Bereich der angestrebten Verbindungsstelle aufweitet und somit gegen die Innenwand der Bohrung 4 des Drehschiebers 2 preßt. Bei ausreichender Kraftanwendung reißt die Zugstange des Zugankers 22 im Bereich einer Sollbruchstelle 25 ab. Der Verbindungsvorgang ist dadurch abgeschlossen und der Zuganker 22 verbleibt mit dem Widerlager 23 in der Sackbohrung 20.

Die auf diese Weise erzeugte Verbindung erfolgt ohne eine spanende Bearbeitung der Bauteile in der Montageposition, wodurch kein Reinigungsaufwand entsteht und keine Wärme abgeführt werden muß. Außerdem bleibt nahezu das gesamte Drehschieberventil frei von Axialkräften. Insbesondere wird keine Axialkraft auf den Torsionsfederabschnitt 13 des Drehstabes 5 ausgeübt. Ein Nebeneffekt der vorgeschlagenen Verbindungstechnik ist die absolute Dichtigkeit der Bohrung 4 im Bereich der Verbindungsstelle.

Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt den Verbindungsbereich des Drehstabs 5 in einer Ausschnittsvergrößerung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Drehstab 5 in seinem Schaftbereich 10 ebenfalls mit einer Sackbohrung 30 versehen, in die ein konischer Zuganker 31 eingesetzt ist. Der Zuganker 31 umfaßt wiederum eine Zugstange 32 sowie eine Einkerbung 33, die als Sollbruchstelle dient. Die Sackbohrung 30 ist zum Einführen des Zugankers 31 bei der Fertigung zunächst zylindrisch ausgeführt, während der Schaftabschnitt 10 zum offenen Ende der Sackbohrung 30 hin sich konisch im Durchmesser vergrößert. Nach dem Einführen des Zugankers 31 in die Sackbohrung 30 wird dann der Schaftabschnitt 10 um den Zuganker 31 herum derart gerollt, geknetet oder ähnlich umgeformt, daß sich die Sackbohrung 30 im Innendurchmesser verjüngt und der äußere Mantelbereich des Schaftabschnitts 10 zylindrisch wird. In dieser Form ist der Drehstab mit dem einliegenden Zuganker 31 in einen Drehschieber wie z. B. den Drehschieber 2 aus der Fig. 1 einzuführen. Die Verbindung des Drehstabes 5 mit einem Drehschieber erfolgt dann nach vorheriger Justierung der hydraulischen Mittellage durch ein Abstützen des Drehschiebers 5 und ein Herausziehen des Zugankers 30 über die Zugstange 32 in axialer Richtung. Dabei gleitet der Zuganker 31 geringfügig in axialer Richtung der Sackbohrung 30 zu deren offenem Ende hin und preßt den sich konisch verjüngenden Bereich des Schaftabschnitts 10 an die umgebende Wandung des Drehschiebers. Schließlich reißt die Zugstange 32 im Bereich der Einkerbung 33 von dem Zuganker 31 ab, und der verbleibende Rest sichert wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 den Drehstab in seiner fixierten Position innerhalb des Drehschiebers. Bei dieser Ausführungsform ist im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kein separates Widerlager erforderlich. Der Zuganker 31 kann in den Drehstab 5, genauer gesagt in dessen Sackbohrung 30 eingesetzt und dort unverlierbar gesichert werden. Dies kann Vorteile bei den Kosten und im Produktionsablauf bringen.

Die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwendeten Konusexpander sind aus der Hydrauliktechnik bekannt. Sie werden dort zum Verschließen von Durchgangsbohrungen verwendet. Bei dem Einsatz solcher Konusexpander für die beschriebene Verbindungstechnik sind die Wandstärken des Drehschiebers 2 und des Drehstabs 5 im Bereich der Verbindungsstelle so zu wählen, daß der Drehstab um ein geeignetes Maß aufgeweitet wird, bevor der Zuganker des Konusexpanders abreißt. Andererseits soll die umgebende Wandung des Drehschiebers 2 durch die nach außen gerichtete Kraft nicht verformt werden. Die erforderlichen Wandstärken lassen sich anhand der Materialeigenschaften leicht ermitteln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser der Sackbohrung 20 8 mm, der Außendurchmesser des Schaftabschnitts 10 beträgt 10 mm, so daß sich eine Wandungsstärke von 1 mm ergibt. Demgegenüber ist der Außendurchmesser des Verzahnungsabschnittes 3 im Durchmesser 17 mm dick, so daß sich für diesen Abschnitt des Drehschiebers 2 eine Wandstärke von 3,5 mm ergibt. Mit diesen Abmessungen ist eine Verbindung erreichbar, die hinsichtlich übertragbarem Drehmoment und Auszugskraft in jedem Fall ausreicht. Die erreichte Auszugskraft in Axialrichtung beträgt rund 5000 N.

Claims (17)

1. Drehschieberventil für Servolenkungen, mit einem im wesentlichen rotationssymmetrischen Drehschieber (2), der eine mittige axiale Bohrung (4) aufweist, sowie mit einem Drehstab (5), der koaxial in der Bohrung (4) angeordnet ist, wobei der Drehstab (5) im Bereich eines ersten Endes (10) drehfest mit dem Drehschieber (2) verbunden und im Bereich eines zweiten Endes (11) um die gemeinsame Achse drehbar in dem Drehschieber (2) gelagert ist, wobei der Drehstab (5) weiter im Bereich des ersten Endes (10) eine mittige koaxiale Bohrung (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die drehfeste Verbindung durch Innenaufweiten des Drehstabs (5) im wesentlichen ohne Einwirkung von Axialkräften auf die Drehstabfeder (13) erzeugt ist.

2. Drehschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des ersten Endes (10) ein zum Innenaufweiten in radialer Richtung wirkendes mechanisches oder hydraulisches Expanderelement (21, 22, 23) angeordnet ist.

3. Drehschieberventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrung (20) des Drehstabs (5) ein Zuganker (22) sowie ein Widerlager (23) vorgesehen sind.

4. Drehschieberventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Widerlager mit dem Drehstab (5) einstückig ist.

5. Drehschieberventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (22) ein in die Bohrung (10) weisendes Ende größeren Durchmessers aufweist und daß das Widerlager (23) in axialer Richtung zwischen dem Ende des Zugankers (22) und dem ersten Ende des Drehstabs (5) angeordnet ist.

6. Drehschieberventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (23) den Zuganker (22) ringförmig umgibt.

7. Drehschieberventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (22) eine Sollbruchstelle (25) aufweist, in deren Bereich der Zuganker (22) bei Erreichen einer für die drehfeste Verbindung ausreichenden axialen Zugkraft abreißt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Drehschieberventil für Servolenkungen, mit folgenden Schritten:

• - Einführen eines etwa rotationssymmetrischen Drehstabs (5) in einen ebenfalls etwa rotationssymmetrischen, mit einer koaxialen Bohrung (4) versehenen Drehschieber (2);
• - Einführen eines Expanderelements (21), das einen Zuganker (22, 31) oder einen Hydraulikexpander umfaßt, in den zumindest an einem Ende (10) eine koaxiale Bohrung (20) aufweisenden Drehstab (5);
• - Expandieren des Expanderelements (21) in radialer Richtung mittels eines hydraulischen Drucks oder mittels einer auf den Zuganker (22, 31) einwirkenden Kraft in Axialrichtung bis zur drehfesten Verbindung des Drehstabs (5) mit dem Drehschieber (2).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einführen des Zugankers (22, 31) ein Widerlager (23) in das offene Ende des Drehstabs (5) eingeführt oder durch Verjüngen der Bohrung (30) des Drehstabs (5) gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verjüngen der Bohrung (30) durch Kneten, Rollen oder ein anderes Umformverfahren erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Expandieren zusätzlich vorgesehen ist, das Drehschieberventil auf eine hydraulische Mittellage zu justieren.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Zugkraft resultierende Reaktionskraft gegen die der Bohrung (20) benachbarte Stirnseite des Drehstabs (5) oder gegen das Widerlager (23) abgestützt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkraft dem Betrag und der Zeit nach so ausgeübt wird, daß der Zuganker (22, 31) vorzugsweise im Bereich einer Sollbruchstelle (25, 33) abreißt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Zugankers (22, 31) sowie das Widerlager (23) in der Bohrung (20) des Drehstabs (5) verbleibt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drehfeste Verbindung reibschlüssig ist.

16. Verwendung eines zum Verschließen von Bohrungen an Hydraulikbauteilen vorgesehenen Expanderverschlusses zur Erzeugung einer drehfesten Verbindung zwischen einem Drehschieber (2) und einem Drehstab (5) bei der Fertigung eines Drehschieberventils für Servolenkungen.

17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Expanderverschluß ein Konusexpander (21) oder ein Kugelexpander ist.