DE19856830A1 - Einen Hub ausführende Universalkupplung zwischen Wellen - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine einen Hub ausführende Universalkupplung zwischen zwei drehbaren Wellen.

Die Anmelderin hat früher eine Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge einge­ reicht, die eine Lenksäule und eine elektrische Hilfskraftvorrichtung an der Lenksäule umfaßt, wobei die Lenksäule den üblichen feststehenden Säulenmantel, eine Lenkwelle, die drehbar an dem Säulenmantel gehalten ist, und ein Lenkrad an einem Außenende der Lenkwelle umfaßt. Die elektrische Hilfskraftvorrichtung umfaßt einen Elektromotor und einen Drehzahlminderer, die an dem Säulenmantel befestigt sind. Ein Schnecken­ rad des Drehzahlminderers ist starr mit einer Ausgangswelle des Drehzahlminderers verbunden, welche wiederum mit einem Lenkgetriebe des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Ein Schneckenzahnrad des Drehzahl­ minderers wird von dem Elektromotor angetrieben und steht mit dem Schneckenrad in Eingriff, um das Drehmoment des Elektromotors zur Ausgangswelle des Drehzahlminderers zu übertragen. Die Lenkwelle ist mit der Ausgangswelle des Drehzahlminderers über einen Torsionsstab verbunden, der sich elastisch verdreht, wenn eine manuelle Lenkbewe­ gung an dem Lenkrad durchgeführt wird. Ein Drehmomentsensor an dem Drehzahlminderer überwacht die Relativdrehung zwischen der Lenkwelle und der Ausgangswelle des Drehzahlminderers, und ein elektronisches Steuermodul schaltet den Elektromotor gemäß Signalen von dem Dreh­ momentsensor ein und aus. Die Lenkwelle ist zwischen dem Lenkrad und dem Drehzahlminderer an einer Universalkupplung angelenkt, um den Drehmomentsensor vor einem Seitenrundlauffehler der Lenkwelle relativ zu dem Säulenmantel zu isolieren. Die erfindungsgemäße, einen Hub ausführende Universalkupplung ist eine neuartige Alternative zu der Uni­ versalkupplung bei dieser früheren Lenkvorrichtung.

Diese Erfindung ist eine neue und verbesserte, einen Hub ausführende Universalkupplung die eine äußere Hülse an einem unteren Ende einer ersten Welle, zwei diametral voneinander abgewandte Seitenflächen an ei­ nem Ende einer zweiten Welle in der äußeren Hülse, zwei diametral von­ einander abgewandte Randflächen an der zweiten Welle an deren Ende in der äußeren Hülse, zwei diametral einander gegenüberliegende Kunststoff­ einsätze in der äußeren Buchse, die gegen eine Drehung relativ zu der äu­ ßeren Hülse festgehalten sind, und mehrere winklige Rampen an jedem der beiden Kunststoffeinsätze umfaßt, die sich in der Längsrichtung der ersten Welle erstrecken und auf mehrere Scheitel zulaufen, welche zusam­ menwirken, indem sie eine innere Hülse in der äußeren Hülse festlegen, die elastisch mit jeder der beiden diametral voneinander abgewandten Seitenflächen und jeder der beiden diametral voneinander abgewandten Randflächen an der ersten Welle in Eingriff stehen. Die Scheitel legen Gleitlager und Drehpunkte für eine relative geradlinige Hubbewegung und eine relative Schwenkbewegung zwischen der ersten und der zweiten Welle fest.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be­ schrieben, in dieser ist:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Lenkvorrichtung für ein Kraft­ fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen, einen Hub ausführen­ den Universalkupplung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht, im allgemeinen entlang der durch die Linien 2-2 in Fig. 1 angedeuteten Ebene genommen,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Teils von Fig. 2, der durch den gestrichelten Kreis 3 in Fig. 2 gekennzeichnet ist,

Fig. 4 eine Schnittansicht, im allgemeinen entlang der durch die Li­ nien 4-4 in Fig. 3 angedeuteten Ebene genommen,

Fig. 5 ähnlich Fig. 3, wobei sie Elemente der erfindungsgemäßen, einen Hub ausführenden Universalkupplung in unterschiedli­ chen Relativstellungen zeigt,

Fig. 6 ähnlich Fig. 4, wobei sie Elemente der erfindungsgemäßen, einen Hub ausführenden Universalkupplung in unterschiedli­ chen Relativstellungen zeigt,

Fig. 7 eine perspektivische Explosionsansicht eines Teils der erfin­ dungsgemäßen, einen Hub ausführenden Universalkupplung,

Fig. 8 eine perspektivische Explosionsansicht eines Teils der erfin­ dungsgemäßen, einen Hub ausführenden Universalkupplung, genommen in der Richtung "A" in Fig. 7, und

Fig. 9 eine Perspektivansicht von zwei Kunststoffeinsätzen der erfin­ dungsgemäßen, einen Hub ausführenden Universalkupplung.

Nach Fig. 1 ist an einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug ein Lenkgetriebe 10 befestigt, das eine Eingangswelle 12, die drehbar an einem Gehäuse 14 des Lenkgetriebes gehalten ist, und eine Zahnstange 16 aufweist, die an dem Gehäuse 14 für eine geradlinige Hin- und Herbewegung in Anspre­ chen auf eine Drehung der Eingangswelle gehalten ist. Entgegengesetzte Enden, nicht gezeigt, der Zahnstange sind mit lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeuges verbunden, um die Räder in Ansprechen auf eine Dre­ hung der Eingangswelle 12 zu steuern. Eine Zwischenlenkwelle 18 weist ein erstes Universalgelenk 20 auf, das mit der Eingangswelle 12 des Lenk­ getriebes verbunden ist, und überspannt einen Zwischenraum zwischen der letzteren und einer Lenksäule 21, an der sich eine elektrische Hilfs­ kraftlenkvorrichtung 22 befindet.

Die Lenksäule 21 umfaßt einen Säulenmantel 26, der zur Unterstützung an einer Karosseriestruktur, nicht gezeigt, des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Eine Lenkwelle 28, Fig. 2, ist drehbar an der Lenksäule 21 innerhalb des Säulenmantels 26 gehalten. Ein Lenkrad 30 ist starr an der Lenkwelle zur Drehung als eine Einheit mit dieser angebracht.

Die elektrische Hilfskraftlenkvorrichtung 22 umfaßt einen Elektromotor 34 und einen Drehzahlminderer 36. Der Drehzahlminderer 36 umfaßt ein Gehäuse 38 mit einem Lagerträgerteil 40 und einer Innenkammer 42, die durch eine Endplatte 44 verschlossen ist. Ein Flansch 46 an einem ge­ wellten unteren Ende 48 des Lenksäulenmantels 26 ist mit dem Gehäuse des Drehzahlminderers 38 über der Endplatte 44 verschraubt.

Eine Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers 36 ist durch zwei Kugella­ ger 54A, 54B an dem Lagerträgerteil 40 des Gehäuses des Drehzahlminde­ rers zur Drehung um eine Längsmittellinie 52 des Gehäuses des Dreh­ zahlminderers gehalten. Ein unteres Ende 56 der Ausgangswelle des Drehzahlminderers ist durch ein zweites Universalgelenk 58 mit der Zwi­ schenlenkwelle 18 an der Zwischenlenkwelle verbunden, so daß eine Dre­ hung der Ausgangswelle des Drehzahlminderers eine entsprechende Dre­ hung der Eingangswelle des Lenkgetriebes 12 einleitet.

Der Elektromotor 34 ist über mehrere Schwingungsabsorber 60 an dem Gehäuse 38 des Drehzahlminderers befestigt. Ein Schneckenzahnrad 62 ist drehbar an dem Gehäuse 38 des Drehzahlminderers gehalten und mit einer Ausgangswelle, nicht gezeigt, des Elektromotors verbunden, so daß der letztere das Schneckenzahnrad antreibt, wenn der Elektromotor ein­ geschaltet ist. Das Schneckenzahnrad 62 steht mit einem Schneckenrad 64 in Eingriff, das starr an der Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers in der Nähe eines rohrförmigen oberen Endes 66 der letzteren angebracht ist. Wenn der Elektromotor eingeschaltet ist, wird das Ausgangsdrehmo­ ment des Elektromotors durch das Schneckenzahnrad 62 und das Schneckenrad 64 auf die Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers aufge­ bracht.

Eine rohrförmige Bezugswelle 68 ist durch ein Büchsenlager 70 und ein Kugellager 72 an dem Gehäuse 38 des Drehzahlminderers zur Drehung um die Längsmittellinie 52 des Gehäuses des Drehzahlminderers an der Endplatte 44 gehalten. Ein unteres Ende 74 der Bezugswelle 68 ruht in­ nerhalb des rohrförmigen oberen Endes 66 der Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers. Zwei außenliegende, flache Seiten 76 an dem unteren Ende 74 der Bezugswelle sind entsprechenden zwei innenliegenden, fla­ chen Seiten 78 an dem oberen Ende der Ausgangswelle des Drehzahlmin­ derers zugewandt und wirken zusammen, indem sie eine Totgangverbin­ dung festlegen, die ungefähr ±2° Relativdrehung zwischen den beiden Wellen zuläßt, bevor eine feste Antriebsverbindung hergestellt ist. Ein schematisch dargestellter Drehmomentsensor oder Drehwinkelsensor 80 in der Kammer 42 in dem Gehäuse des Drehzahlminderers überwacht die Drehung der Bezugswelle 68 um die Längsmittellinie 52 relativ zur Aus­ gangswelle des Drehzahlminderers.

Nach Fig. 2 ist ein Torsionsstab 82 in der rohrförmigen Bezugswelle 68 und in dem rohrförmigen oberen Ende 66 der Ausgangswelle des Dreh­ zahlminderers angeordnet. Ein unteres Ende 84 des Torsionsstabes ist durch einen Stift 86 starr mit der Ausgangswelle 50 des Drehzahlminde­ rers verbunden. Ein einstückiger gezähnter Zylinder 88 an dem Torsions­ stab 82 in der Nähe seines oberen Endes 90 ist durch eine Buchse 92 derart mit der Bezugswelle 68 verbunden, daß sich die Bezugswelle als eine Einheit mit dem oberen Ende 90 des Torsionsstabes dreht.

Wie es am besten in den Fig. 2-9 zu sehen ist, ist eine erfindungsgemä­ ße, einen Hub ausführende Universalkupplung 94 zwischen dem Torsi­ onsstab 82 und der Lenkwelle 28 angeordnet und umfaßt zwei diametral voneinander abgewandte Seitenflächen 96A, 96B und zwei diametral von­ einander abgewandte Randflächen 98A, 98B an dem oberen Ende 90 des Torsionsstabes. Eine äußere Hülse 100, Fig. 8, der Kupplung 94 ist durch einen zylindrischen Hohlraum 102 in einem unteren Ende 104 der Lenk­ welle 28 festgelegt. Die zylindrische äußere Hülse 100 ist von zwei diame­ tral einander gegenüberliegenden, geradlinigen Vorsprüngen 106A und 106B in dem Hohlraum unterbrochen, die jeweils zwei Längsseiten 108A, 108B und eine Querseite 110 aufweisen.

Die einen Hub ausführende Universalkupplung 94 umfaßt ferner zwei identische Kunststoffeinsätze 112A, 112B, die aus einem Material, wie beispielsweise Acetyl, gegossen sind. Jeder Kunststoffeinsatz 112A, 112B weist zwei relativ lange und schmale Schienen 114A, 114B auf, die derart an die Außenseite geformt sind, daß sie in die äußere Hülse 100 an den Längsseiten 108A, 108B der geradlinigen Vorsprünge 106A, 106B passen. Die Schienen 114A, 114B der Kunststoffeinsätze sind durch einen ein­ stückigen, bogenförmigen Steg 116, der zwei voneinander abgewandte En­ den 118A, 118B aufweist, und durch eine einstückige Verstärkung 120 verbunden. Wie es am besten in Fig. 9 zu sehen ist, laufen zwei schmale Rampen 122 an jeder Schiene 114A, 114B zwischen den Enden 118A, 118B des Steges 116 auf einen geradlinigen Scheitel 124 zu. Zwei breite Rampen 126 an der konkaven Seite des Steges 116 laufen auf einen ge­ radlinigen Scheitel 128 zu, der an die geradlinigen Scheitel 124 angrenzt. Jede Verstärkung 120 weist einen Widerhaken 130 an ihrer konvexen Seite auf.

Die Kunststoffeinsätze 112A, 112B werden in die äußere Hülse 100 durch das untere Ende 104 der Lenkwelle 28 eingepaßt, wobei die schmalen Rampen 122 und die breiten Rampen 126 sich in der Längsrichtung der Lenkwelle 28 erstrecken, indem die Schienen 114A, 114B entlang der Längsseiten 108A, 108B der geradlinigen Vorsprünge 106A, 106B ver­ schoben werden. Die Schienen 114A, 114B sind elastisch in die äußere Hülse zwischen den Längsseiten der geradlinigen Vorsprünge 106A, 106B eingezwängt, um Spiel zwischen den Einsätzen und der äußeren Hülse zu beseitigen, d. h., ein Abstandsmaß zu beseitigen, das sonst eine Relativ­ drehung zwischen den Kunststoffeinsätzen und der Lenkwelle gestatten würde. In einer eingesetzten Stellung jedes Kunststoffeinsatzes in der äu­ ßeren Hülse 100, Fig. 2-6, rasten die Widerhaken 130 in ein jeweiliges von zwei Fenstern 132 in der Lenkwelle ein, die mit den Widerhaken zu­ sammenwirken, indem sie ein Verrücken der Kunststoffeinsätze aus der äußeren Hülse verhindern.

In den eingesetzten Stellungen der Kunststoffeinsätze 112A, 112B stehen die schmalen Rampen 122 an den Schienen 114A, 114B über entspre­ chende Querseiten der Querseiten 110 der geradlinigen Vorsprünge 106A, 106B in der äußeren Hülse 100 hervor und wirken mit den breiten Ram­ pen 126 an den Stegen 116 zusammen, indem sie eine vierseitige innere Hülse 134, Fig. 3-6, der einen Hub ausführenden Universalkupplung 94 innerhalb der äußeren Hülse 100 festlegen. Die Querschnittsfläche der inneren Hülse 134 ist in der Ebene der Scheitel 124, 128 minimal und dehnt sich in der Längsrichtung der Lenkwelle 28 in den Ebenen der En­ den 118A, 118B der Stege 116 maximal aus.

Wie es am besten in den Fig. 2-6 zu sehen ist, ist das obere Ende 90 des Torsionsstabes 82 in die innere Hülse 134 der einen Hub ausführenden Universalkupplung 94 preßgepaßt, wobei die Seitenflächen 96A, 96B und die Randflächen 98A, 98B des oberen Endes des Torsionsstabes jeweils die jeweiligen Scheitel 124, 128 an den Kunststoffeinsätzen elastisch ver­ formen. Die Kunststoffeinsätze 112A, 112B übertragen Drehmoment auf den Torsionsstab mit einem Nullspiel dazwischen, d. h. ein Abstandsmaß von Null, das sonst eine Relativdrehung zwischen den Kunststoffeinsätzen und dem oberen Ende 90 des Torsionsstabes zulassen würde.

Aufgrund des niedrigen Reibungskoeffizienten des Kunststoffes, aus dem die Einsätze 112A, 112B gegossen sind, und aufgrund der begrenzten Kontaktfläche zwischen den Scheiteln 124, 128 und dem oberen Ende des Torsionsstabes, ist das obere Ende des Torsionsstabes geradlinig mit ei­ nem Nennreibungswiderstand in der inneren Hülse 134 in der Längs­ richtung der Lenkwelle 28 vor- und zurück verschiebbar. Gleichzeitig le­ gen die Scheitel 124, 128 Drehpunkte fest, um welche die Lenkwelle 28 relativ zu dem Torsionsstab in einer ersten Richtung schwenkbar ist, Fig. 3 und 5. Ähnlich legen die Scheitel 124, 128 Drehpunkte fest, um welche die Lenkwelle 28 relativ zu dem Torsionsstab in einer zweiten Richtung, Fig. 4 und 6, senkrecht zu der ersten Richtung schwenkbar ist, so daß die einen Hub ausführende Universalkupplung 94 eine universelle Anlenkung und eine geradlinige Hubbewegung der Lenkwelle 28 relativ zu dem obe­ ren Ende 90 des Torsionsstabes 82 ermöglicht.

Bei Abwesenheit einer an dem Lenkrad 30 durchgeführten manuellen Lenkbewegung ist der Torsionsstab 82 nicht gebogen und legt eine ge­ meinsame Mittelstellung der Lenkwelle 28 und der Bezugswelle 68 relativ zur Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers fest. Ein elektronisches Si­ gnal von dem Drehmomentsensor 80 zu einem Steuermodul, nicht gezeigt, des Kraftfahrzeugs, das einer Mittelstellung der Bezugswelle 68 entspricht, veranlaßt das Steuermodul, den Elektromotor 34 auszuschalten.

Wenn eine manuelle Lenkbewegung an dem Lenkrad 30 durchgeführt wird, um das Kraftfahrzeug zu lenken, wird eine derartige Lenkbewegung durch die einen Hub ausführende Universalkupplung 94 zum oberen En­ de 90 des Torsionsstabes 82 übertragen. Das obere Ende des Torsionssta­ bes und die Bezugswelle 68 drehen sich wegen des Widerstandes gegen­ über einer Drehung der Ausgangswelle des Drehzahlminderers, der auf die lenkbaren Räder des Kraftfahrzeuges zurückzuführen ist, als eine Einheit mit der Lenkwelle relativ zur Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers und dem unteren Ende 84 des Torsionsstabes. Die entsprechende Verdre­ hung des Torsionsstabes leitet eine Rückstellkraft ein, welche die Lenk­ welle und die Bezugswelle zurück in ihre Mittelstellungen drückt.

Der Drehmomentsensor 80 erfaßt die Größe und Richtung der Relativdre­ hung zwischen der Bezugswelle und der Ausgangswelle des Drehzahlmin­ derers und schickt ein entsprechendes elektronisches Signal zu dem vor­ stehend erwähnten Steuermodul, um den Elektromotor 34 in der geeig­ neten Richtung einzuschalten, so daß das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors auf die Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers aufge­ bracht wird, um die manuelle Lenkbewegung zu unterstützen, die durch das untere Ende des Torsionsstabes zur Ausgangswelle des Drehzahlmin­ derers übertragen wird. Wenn eine manuelle Lenkbewegung an dem Lenk­ rad aufhört, führt der Torsionsstab die Lenkwelle 28 und die Bezugswelle 68 in ihre Mittelstellungen zurück.

Es ist wichtig, daß gleichzeitig mit der Drehmomentübertragung zwischen der Lenkwelle 28 und dem Torsionsstab 82 die einen Hub ausführende Universalkupplung 94 jeweils die Bezugswelle 68 bzw. die Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers vor einem Seitenrundlauffehler der Lenkwelle isoliert, um dadurch die Auswirkung eines derartigen Seitenrundlauffeh­ lers auf den Drehmomentsensor 80 zu minimieren. In dem Fall, daß die manuelle Lenkbewegung, die an dem Lenkrad 30 durchgeführt wird, den Torsionsstab 82 überwindet, z. B. wenn mit ausgeschaltetem Elektromotor gesteuert wird, schlagen die flachen Seiten 76 an der Bezugswelle an den flachen Seiten 78 an der Ausgangswelle 50 des Drehzahlminderers an, so daß nach ungefähr ±2° Relativdrehung der Bezugswelle aus ihrer Mittel­ stellung eine feste Antriebsverbindung zwischen diesen bewirkt wird.

Zusammengefaßt umfaßt eine einen Hub ausführende Universalkupplung eine äußere Hülse an einem unteren Ende einer ersten Welle, zwei diame­ tral voneinander abgewandte Seitenflächen und zwei diametral voneinan­ der abgewandte Randflächen an einem Ende einer zweiten Welle in der äußeren Hülse, zwei diametral einander gegenüberliegende Kunststoffein­ sätze in der äußeren Hülse, die gegen eine Drehung relativ zu der äußeren Hülse festgehalten sind, und mehrere winklige Rampen an jedem der bei­ den Kunststoffeinsätze, die sich in der Längsrichtung der ersten Welle er­ strecken und auf mehrere Scheitel zulaufen, die zusammenwirken, indem sie eine innere Hülse in der äußeren Hülse festlegen, die elastisch mit je­ der der beiden diametral voneinander abgewandten Seitenflächen und je­ der der beiden diametral voneinander abgewandten Randflächen an der ersten Welle in Eingriff steht. Die Scheitel legen Gleitlager und Drehpunk­ te für eine relative geradlinige Hubbewegung und eine relative Schwenk­ bewegung zwischen der ersten und der zweiten Welle fest.

Claims (4)

1. Einen Hub ausführende Universalkupplung (94) zwischen einer er­ sten Welle (28) und einer zweiten Welle (82), umfassend:
eine äußere Hülse (100) an einem unteren Ende (104) der ersten Welle,
ein Ende (90) der zweiten Welle in der äußeren Hülse,
zwei diametral voneinander abgewandte Seitenflächen (96A, B) und zwei diametral voneinander abgewandte Randflächen (98A, B) an dem Ende der zweiten Welle in der äußeren Hülse,
zwei diametral einander gegenüberliegende Kunststoffeinsätze (112A, B) in der äußeren Hülse,
ein Mittel (106A, B - 114A, B), das dazu dient, eine Relativdrehung zwischen der ersten Welle und jedem der beiden Kunststoffeinsätze in der äußeren Hülse zu verhindern, und
mehrere winklige Rampen (122, 126) an jedem der beiden Kunst­ stoffeinsätze, die sich in der Längsrichtung der ersten Welle erstrecken und auf mehrere Scheitel (124, 128) zulaufen, die zusammen­ wirken, indem sie eine innere Hülse (134) in der äußeren Hülse festlegen, die elastisch mit jeder der beiden diametral voneinander abgewandten Seitenflächen und jeder der beiden diametral vonein­ ander abgewandten Randflächen an der zweiten Welle in Eingriff steht.

2. Einen Hub ausführende Universalkupplung nach Anspruch 1, wobei das Mittel, das dazu dient, eine Relativdrehung zwischen der ersten Welle und jedem der beiden Kunststoffeinsätze in der äuße­ ren Hülse zu verhindern,
zwei diametral einander gegenüberliegende geradlinige Vorsprünge (106A, B) an der ersten Welle in der äußeren Hülse, die sich in der Längsrichtung der ersten Welle erstrecken und auf denen jeweils zwei Längsseiten (108A, B) vorgesehen sind, und
zwei Schienen (114A, B) an jedem der Kunststoffeinsätze umfaßt, die verschiebbar mit den Längsseiten der beiden diametral einander gegenüberliegenden, geradlinigen Vorsprünge in Eingriff stehen und elastisch zwischen diese eingezwängt sind.

3. Einen Hub ausführende Universalkupplung nach Anspruch 2, die ferner ein Einrasthaltemittel (130, 132) umfaßt, das dazu dient, ein Verrücken von jedem der beiden Kunststoffeinsätze aus der äu­ ßeren Hülse zu verhindern.

4. Einen Hub ausführende Universalkupplung nach Anspruch 3, wobei das Einrasthaltemittel zwei Fenster (132) in der ersten Welle und
zwei Widerhaken (130) an jeweiligen der beiden Kunststoffeinsätze umfaßt, die in einem jeweiligen der beiden Fenster in einer einge­ setzten Stellung von jedem der Kunststoffeinsätze in der äußeren Hülse eingesetzt sind.