DE19752887A1 - Universalgelenkwelle eines Lenksystems zum Absorbieren und Abfangen von Stoßenergie bei einem Zusammenstoß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Universalgelenkwelle eines Lenksystems zum Absorbieren und Abfangen von Stoßenergie bei einem Zusammenstoß, und insbesondere eine verbesserte Universalgelenkwelle, die bei einem Zusammenstoß auftretende Stoßenergie schnell absorbieren und abfangen kann, um dadurch einen ausreichenden Sicherheitsspielraum für den Fahrer zu schaffen, und die ohne hoher Bearbeitungsgenauigkeit hergestellt werden kann, wodurch die Arbeitsproduktivität erhöht wird.

Ein herkömmliches Lenksystem eines Kraftfahrzeuges weist einen Betätigungsmechanismus, einen Getriebemechanismus und eine Verbindungseinheit auf. Der Betätigungsmechanismus überträgt die am Lenkrad vom Fahrer durchgeführte Lenkbewegung auf einen Lenkgetriebemechanismus. Der Betätigungsmechanismus weist ein Lenkrad, eine Lenkwelle und eine Lenksäule auf. Der Getriebemechanismus dient zum Übersetzen der Lenkbewegung oder zum Ändern der Richtung der Lenkbewegung und zum anschließenden Übertragen der übersetzten Lenkbewegung auf die Verbindungseinheit.

Schließlich dreht die Verbindungseinheit ein Antriebsrad entsprechend der Betätigung des Getriebemechanismus. Die Verbindungseinheit weist eine Zahnstange, ein Ritzel, das mit der Zahnstange in Eingriff steht, eine Spurstange und einen Lenkhebel auf.

Die Lenkbewegung durch den Fahrer wird über das Lenkrad, die Lenksäule, und eine Universalgelenkwelle, welche die Lenksäule mit einer Getriebewelle verbindet, auf die Getriebewelle übertragen. Die Rotationskraft von der Getriebewelle wird übersetzt und in der Richtung verändert, und dann auf einen Lenkstockhebel, eine Lenkschubstange, den Lenkhebel und einen Achsschenkel zum Drehen des Antriebsrades übertragen. Die Spurstange, die es ermöglicht, das Paar Antriebsräder um den gleichen Winkel zu drehen, ist über den Lenkhebel an einem Achsgelenk montiert.

Andererseits ist nach dem herkömmlichen Lenksystem die Universalgelenkwelle derart konstruiert, daß sie auf diese übertragene Stoßenergie im Falle eines Frontalzusammenstoßes des Kraftfahrzeuges absorbiert.

Aus Fig. 1 ist eine herkömmliche Universalgelenkwelle zum Absorbieren von Stoßenergie bei einem Zusammenstoß ersichtlich.

Das System weist eine äußere Welle 101 und eine innere Welle 102 auf, welche über Universalgelenke 103 und 104 mit einer Lenksäule bzw. einer Getriebewelle verbunden sind.

Der Außendurchmesser der inneren Welle 102 ist etwa derselbe wie der Innendurchmesser der äußeren Welle 101, so daß, wenn die innere Welle 102 in die äußere Welle 101 eingesetzt wird, zwischen diesen eine vorbestimmte Reibkraft ausgeübt werden kann. Die äußere Welle 101 und die innere Welle 102 sind mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern zum Aufnehmen eines Paares von Formbolzen 105 versehen, welche durch ein Spritzgußverfahren hergestellt sind. Die innere Welle 102 wird in die äußere Welle 101 eingesetzt und mit dieser durch die Formbolzen 105 fest verbunden.

Bei einer derartigen herkömmlichen Universalgelenkwelle werden, wenn in Axialrichtung eine Stoßkraft ausgeübt wird, die eine vorbestimmte Größe überschreitet, die Formbolzen 105 abgeschert, und die innere Welle 102 bewegt sich in die äußere Welle 101 hinein, wodurch die Stoßenergie absorbiert wird. Die Formbolzen 105 absorbieren zuerst einen Teil der Stoßenergie, die auf die äußere Welle 101 während des Abschervorgangs übertragen wird. Der Rest der Stoßenergie wird von der Reibkraft zwischen der äußeren Welle 101 und der inneren Welle 102 aufgebraucht, wenn diese sich relativ zueinander bewegen.

Die oben beschriebene herkömmliche Universalgelenkwelle, welche die Reibkraft zwischen der äußeren und der inneren Welle benutzt, um die Stoßenergie zu absorbieren, kann wegen ihrer geringen Effizienz beim Absorbieren der Stoßenergie keinen ausreichenden Sicherheitsspielraum für den Fahrer schaffen. Ferner ist es bei einem Herstellungsvorgang eines Formbolzens erforderlich, verschiedene Faktoren, wie beispielsweise Zeit und Druck, genau zu steuern, um die erforderliche Festigkeit des Formbolzens sicherzustellen. Ferner ist, da die Durchmesser der inneren und der äußeren Welle genau aneinander angepaßt werden müssen, um eine richtige Reibkraft zwischen der äußeren und der inneren Welle zu ermöglichen, der Herstellungsvorgang der Lenksäule ziemlich schwierig, wodurch die Kosten für deren Herstellung hoch sind.

Mit der Erfindung wird eine verbesserte Universalgelenkwelle geschaffen, welche zum Absorbieren und Abfangen von Stoßenergie im Falle eines Frontalzusammenstoßes schnell durchgetrennt werden kann, um einen ausreichenden Sicherheitsspielraum zu schaffen.

Ferner wird mit der Erfindung eine verbesserte Universalgelenkwelle geschaffen, welche ohne hohe Bearbeitungsgenauigkeit hergestellt werden kann, wodurch die Produktivität erhöht wird.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Universalgelenkwelle eines Kraftfahrzeuges zum Absorbieren und Abfangen von Stoßenergie bei einem Zusammenstoß, mit: einer oberen Welle, die an ihrem einen Ende mit einer Lenksäule verbunden ist und an ihrem anderen Ende eine obere abgeschrägte Fläche mit einem vorbestimmten Schrägungswinkel aufweist; einer unteren Welle, die an ihrem einen Ende mit einer Getriebewelle verbunden ist und an ihrem anderen Ende eine untere abgeschrägte Fläche mit demselben Schrägungswinkel wie dem Schrägungswinkel der oberen abgeschrägten Fläche aufweist; einer Stoßabsorptionshülse zum Abstützen der oberen Welle und der unteren Welle, um die beiden Wellen derart zueinander auszurichten, daß die obere abgeschrägte Fläche und die untere abgeschrägte Welle parallel zueinander angeordnet sind; und einem Befestigungsmittel zum Befestigen der Stoßabsorptionshülse an der oberen Welle und der unteren Welle.

Vorzugsweise ist der Schrägungswinkel gleich oder kleiner als 45°.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die obere Welle und die untere Welle jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, und die Stoßabsorptionshülse ist ein zylindrischer Körper, der mit einem Paar Längsausschnitten und einem Paar Verbindungsabschnitten versehen ist, wobei die obere Welle und die untere Welle in den zylindrischen Körper eingesetzt sind, um darin befestigt zu sein.

Als Modifikation der Erfindung weisen die obere Welle und die untere Welle einen rechteckigen Querschnitt auf und die Stoßabsorptionshülse ist ein im Querschnitt rechteckiges Rohrstück, das mit einem Paar Längsausschnitten und einem Paar Verbindungsabschnitten versehen ist, wobei die obere Welle und die untere Welle in das Rohrstück eingesetzt sind, um darin befestigt zu sein.

Das Befestigungsmittel kann eine Mehrzahl von Nieten aufweisen, welche in ein Paar Nietlöcher, die durch die beiden Endabschnitte der Stoßabsorptionshülse hindurch ausgebildet sind, und in ein Paar Durchgangslöcher eingesetzt sind, die durch die obere Welle bzw. die untere Welle hindurch ausgebildet sind.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt einer herkömmlichen Universalgelenkwelle;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Universalgelenkwelle nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Stoßabsorptionshülse der Universalgelenkwelle aus Fig. 2;

Fig. 4 einen teilweisen Längsschnitt der Universalgelenkwelle aus Fig. 2, wenn auf diese keine Stoßenergie übertragen wird;

Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt der Universalgelenkwelle aus Fig. 2, nachdem in deren Axialrichtung Stoßenergie übertragen wurde, die eine bestimmte Größe überschritten hat;

Fig. 6 eine perspektivische Explosionsansicht einer Modifikation der Universalgelenkwelle nach der Erfindung; und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Stoßabsorptionshülse der Universalgelenkwelle aus Fig. 6.

Mit Bezug auf die Fig. 2 bis 5 wird eine Universalgelenkwelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist eine Universalgelenkwelle eine obere Welle 10 und eine untere Welle 20 mit jeweils kreisförmigem Querschnitt, eine Stoßabsorptionshülse 30 zum Kuppeln der beiden Wellen 10 und 20 miteinander, und eine Mehrzahl von Befestigungselementen zum Befestigen der Stoßabsorptionshülse 30 an den Enden der beiden Wellen 10 und 20 auf.

Das eine Ende der oberen Welle 10 ist über ein Universalgelenk 11 mit einer Lenksäule (nicht gezeigt) verbunden. Die obere Welle 10 weist an ihrem anderen Ende eine abgeschrägte Fläche 12 auf. Das eine Ende der unteren Welle 20 ist über ein Universalgelenk 21 mit einer Getriebewelle (nicht gezeigt) verbunden. Die untere Welle 20 weist an ihrem anderen Ende eine abgeschrägte Fläche 22 auf. Wenn die beiden Wellen 10 und 20 über die Stoßabsorptionshülse 30 miteinander gekuppelt sind, sind die beiden Wellen 10 und 20 in einer Linie axial zueinander angeordnet, wobei die abgeschrägten Flächen 12 und 22 in Kontakt miteinander oder parallel im Abstand voneinander angeordnet sind. Vorzugsweise weist die abgeschrägte Fläche 12 denselben Schrägungswinkel wie die abgeschrägte Fläche 22 auf, wobei der Schrägungswinkel gleich oder kleiner als 45° ist.

Die Stoßabsorptionshülse 30 weist einen zylindrischen Körper 31 auf, der an seinen beiden Endabschnitten jeweils mit einem Paar einander gegenüberliegenden, an den Enden des zylindrischen Körpers 31 offenen Längsausschnitten 32 und 33 und in seinem mittleren Abschnitt mit einem Paar einander gegenüberliegenden Verbindungsabschnitten 34 versehen ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Der Innendurchmesser des zylindrischen Körpers 31 ist größer als der Außendurchmesser der beiden Wellen 10 und 20, so daß die beiden Wellen 10 und 20 in den zylindrischen Körper 31 auf eine vorbestimmte Länge eingesetzt werden können.

Die Befestigungselemente sind ein Paar Nieten 40. Die Nieten 40 sind an den beiden Endabschnitten des zylindrischen Körpers 31 jeweils in ein Paar einander gegenüberliegenden Nietlöchern 35 und 36 und in ein Durchgangsloch 13 und 23 der jeweiligen Welle 10 bzw. 20 eingesetzt. Die Nietlöcher 35 und 36 sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander derart angeordnet, daß zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der beiden Wellen 10 und 20 ein Spalt bleibt.

Bei der Montage werden die beiden Wellen 10 und 20 in die Stoßabsorptionshülse 30 eingesetzt, und dann werden die Nietlöcher 35 und 36 zu den entsprechenden Durchgangslöchern 13 bzw. 23 ausgerichtet. Infolgedessen können die beiden Wellen 10 und 20 in einem Abstand voneinander angeordnet werden, der von dem Abstand zwischen den Nietlöchern 35 und 36 abhängig ist. Schließlich werden die Nieten 40 in die Nietlöcher 35 und 36 und die Durchgangslöcher 13 bzw. 23 eingesetzt.

Andererseits kann die Stoßabsorptionshülse 30 normal zylindrisch ohne die Längsausschnitte 32 und 33 ausgebildet sein. In diesem Fall kann jedoch der zylindrische Körper beim Brechen der Nieten 40 nicht auseinanderbrechen, wodurch eine geringe Absorption der Stoßenergie erfolgt.

Wie oben beschrieben, sind die beiden Wellen 10 und 20 zwischen der Lenksäule und der Getriebewelle montiert. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, werden, wenn eine Stoßkraft f1, die eine vorbestimmte Größe überschreitet, auf die untere Welle 20 ausgeübt wird, wie mit einem Pfeil darstellt ist, werden die Nieten 40 abgeschert, und gleichzeitig wird die Stoßabsorptionshülse 30 gebrochen, wodurch die Stoßenergie absorbiert wird. Wenn sich die untere Welle 20 weiterbewegt, gelangt die abgeschrägte Fläche 22 der unteren Welle 20 in Reibkontakt mit der abgeschrägten Fläche 12 der oberen Welle 10. Dann wird die untere Welle 20 infolge einer resultierenden Kraft F, die durch Addieren der Stoßkraft f1 und einer durch den Schrägungswinkel der abgeschrägten Flächen 12 und 22 verursachten Querkraft f2 erzeugt wird, um einen Winkel zur Längsachse der oberen Welle 10 verschwenkt. Infolgedessen wird der Rest der Stoßenergie abgefangen und dessen Übertragung auf das Lenkrad verhindert.

Aus den Fig. 6 und 7 ist eine Modifikation der Universalgelenkwelle bzw. der Stoßabsorptionshülse ersichtlich. Die Universalgelenkwelle weist eine obere Welle 50 und eine untere Welle 60 mit jeweils rechteckigem Querschnitt, eine Stoßabsorptionshülse 70 zum Kuppeln der beiden Wellen 50 und 60 miteinander, und eine Mehrzahl von Befestigungselementen zum Befestigen der Stoßabsorptionshülse 70 an den Enden der beiden Wellen 50 und 60 auf.

Das eine Ende der oberen Welle 50 ist über ein Universalgelenk 51 mit einer Lenksäule (nicht gezeigt) verbunden. Die obere Welle 50 weist an ihrem anderen Ende eine abgeschrägte Fläche 52 auf. Das eine Ende der unteren Welle 60 ist über ein Universalgelenk 61 mit einer Getriebewelle (nicht gezeigt) verbunden. Die untere Welle 60 weist an ihrem anderen Ende eine abgeschrägte Fläche 62 auf. Wenn die beiden Wellen 50 und 60 über die Stoßabsorptionshülse 70 miteinander gekuppelt sind, sind die beiden Wellen 50 und 60 in einer Linie axial zueinander angeordnet, wobei die abgeschrägten Flächen 52 und 62 in Kontakt miteinander oder parallel im Abstand voneinander angeordnet sind. Vorzugsweise weist die abgeschrägte Fläche 52 denselben Schrägungswinkel wie die abgeschrägte Fläche 62 auf, wobei der Schrägungswinkel gleich oder kleiner als 45° ist.

Die Stoßabsorptionshülse 70 weist ein Rohrstück 71 mit rechteckigem Querschnitt auf, wobei das Rohrstück 71 an seinen beiden Endabschnitten jeweils mit einem Paar einander gegenüberliegenden, an den Enden des Rohrstücks 71 offenen Längsausschnitten 72 und 73 und in seinem mittleren Abschnitt mit einem Paar einander gegenüberliegenden Verbindungs­ abschnitten 74 versehen ist, wie aus Fig. 7 ersichtlich. Die innere Breite und Höhe des Rohrstücks 71 sind größer als die äußere Breite und Höhe der beiden Wellen 50 und 60, so daß die beiden Wellen 50 und 60 in das Rohrstück 71 auf eine vorbestimmte Länge eingesetzt werden können.

Die Befestigungselemente sind ein Paar Nieten 80. Die Nieten 80 sind an den beiden Endabschnitten des Rohrstücks 71 jeweils in ein Paar einander gegenüberliegenden Nietlöchern 75 und 76 und in ein Durchgangsloch 53 und 63 der jeweiligen Welle 50 bzw. 60 eingesetzt. Die Nietlöcher 75 und 76 sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander derart angeordnet, daß zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der beiden Wellen 50 und 60 ein Spalt bleibt.

Wenn eine Stoßkraft, die eine vorbestimmte Größe überschreitet, auf die untere Welle 60 ausgeübt wird, werden die Nieten 80 abgeschert, und gleichzeitig wird die Stoßabsorptionshülse 70 gebrochen, wodurch die Stoßenergie absorbiert wird. Wenn sich die untere Welle 60 weiterbewegt, gelangt die abgeschrägte Fläche 62 der unteren Welle 60 in Reibkontakt mit der abgeschrägten Fläche 52 der oberen Welle 50. Dann wird die untere Welle 60 infolge einer resultierenden Kraft, die durch Addieren der Stoßkraft und einer durch den Schrägungswinkel der abgeschrägten Flächen 52 und 62 verursachten Querkraft erzeugt wird, um einen Winkel zur Längsachse der oberen Welle 50 verschwenkt. Infolgedessen wird der Rest der Stoßenergie abgefangen und dessen Übertragung auf das Lenkrad verhindert.

Wie oben beschrieben, kann die erfindungsgemäße Universalgelenkwelle bei einem Zusammenstoß auftretende Stoßenergie schnell absorbieren und abfangen, so daß ein ausreichender Sicherheitsspielraum für den Fahrer geschaffen wird, wobei die Herstellung der Universalgelenkwelle keine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erfordert, wodurch die Arbeitsproduktivität erhöht wird.

Claims (5)

1. Universalgelenkwelle eines Lenksystems zum Absorbieren und Abfangen von Stoßenergie bei einem Zusammenstoß, mit:
einer oberen Welle (10; 50), die an ihrem einen Ende mit einer Lenksäule verbunden ist und an ihrem anderen Ende eine obere abgeschrägte Fläche (12; 52) mit einem vorbestimmten Schrägungswinkel aufweist;
einer unteren Welle (20; 60), die an ihrem einen Ende mit einer Getriebewelle verbunden ist und an ihrem anderen Ende eine untere abgeschrägte Fläche (22; 62) mit demselben Schrägungswinkel wie dem Schrägungswinkel der oberen abgeschrägten Fläche (12; 52) aufweist;
einer Stoßabsorptionshülse (30; 70) zum Abstützen der oberen Welle (10; 50) und der unteren Welle (20; 60), um die beiden Wellen (10, 20; 50, 60) derart zueinander auszurichten, daß die obere abgeschrägte Fläche (12; 52) und die untere abgeschrägte Welle (22; 62) parallel zueinander angeordnet sind; und
einem Befestigungsmittel (40; 80) zum Befestigen der Stoßabsorptionshülse (30; 70) an der oberen Welle (10; 50) und der unteren Welle (20; 60).

2. Universalgelenkwelle nach Anspruch 1, wobei die obere Welle (10) und die untere Welle (20) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, und die Stoßabsorptionshülse (30) ein zylindrischer Körper (31) ist, der mit einem Paar Längsausschnitten (32, 33) und einem Paar Verbindungsabschnitten (34) versehen ist, wobei die obere Welle (10) und die untere Welle (20) in den zylindrischen Körper (31) eingesetzt sind, um darin befestigt zu sein.

3. Universalgelenkwelle nach Anspruch 1, wobei die obere Welle (50) und die untere Welle (60) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und die Stoßabsorptionshülse (70) ein im Querschnitt rechteckiges Rohrstück (71) ist, das mit einem Paar Längsausschnitten (72; 73) und einem Paar Verbindungsabschnitten (74) versehen ist, wobei die obere Welle (50) und die untere Welle (60) in das Rohrstück (71) eingesetzt sind, um darin befestigt zu sein.

4. Universalgelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von Nieten (40; 80) aufweist, welche in ein Paar Nietlöcher (35, 36; 75, 76), die durch die beiden Endabschnitte der Stoßabsorptionshülse (30; 70) hindurch ausgebildet sind, und in ein Paar Durchgangslöcher (13, 23; 53, 63) eingesetzt sind, die durch die obere Welle (10; 50) bzw. die untere Welle (20; 60) hindurch ausgebildet sind.

5. Universalgelenkwelle nach Anspruch 1, wobei der Schrägungswinkel gleich oder kleiner als 45° ist.