DE19922914A1 - Wälzlager zur Lagerung einer Lenkwelle - Google Patents

Wälzlager zur Lagerung einer Lenkwelle

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DE19922914A1
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Rainer Lutz
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Abstract

Ein Lenkungslager (12, 26) zur Lagerung einer Lenkwelle (2) in einem Lenkrohr (3) weist einen Lagerinnenring (14, 31) auf, der von einem Toleranzring (19, 34) aus einem polymeren Werkstoff aufgenommen ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist dieser polymere Werkstoff elektrisch leitend, so daß in einfacher Weise ein Stromübergang ausgehend von der Lenkwelle (2) über den Toleranzring (19, 24), dem Lagerinnenring (14, 31), die Lagerkugeln (15, 33) und dem Lageraußenring (13, 27) zum Lenkrohr erfolgen kann.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager zur Lagerung einer Lenkwelle, bestehend aus zwei Lagerringen mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern, wobei der Innenring von einem Toleranzring aus einem elastisch federnden polymeren Werkstoff aufgenommen ist und Mittel zur Übertragung des elektrischen Stroms von der Lenkwelle zu einem das Wälzlager aufnehmenden Lenkrohr vorhanden sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Lenkungslager, dessen Außenring von einem Toleranzring aus einem elastisch federnden polymeren Werkstoff aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Wälzlager werden zur Lagerung von Lenkwellen in Lenksäulen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. In den meisten Fällen ist das Lager ein Schrägku­ gellager, das zusammen mit einem weiteren Schrägkugellager eingesetzt ist und mit diesem weiteren Schrägkugellager sowie unterschiedlichen Vorspann- und Stützelementen eine Lageranordnung bildet. In der DE 40 13 655 C2 ist eine derartige Lageranordnung vorbeschrieben.
Ein gattungsgemäßes Schrägkugellager, wie es häufig zur Lagerung von Lenkwellen verwendet wird, ist aus der DE 38 08 556 A1 vorbekannt. Der In­ nenring ist von einem Toleranzring aus einem Kunststoff aufgenommen, der den Innen- und Außenring mit einem radialen Vorsprung hintergreift. Am ande­ ren axialen Ende des Innenringes ist ein Federelement in Form eines Federrin­ ges angeordnet, das im Toleranzring durch eine Sperrscheibe gehalten ist, die ebenfalls im Toleranzring durch einen radial nach innen weisenden Vorsprung gesichert ist. Auf diese Weise ist eine vorgespannte Baueinheit aus dem Wälzlager und den Halteelementen bzw. Spannelementen gebildet. Damit ist bei der Montage nur noch ein einziges, durch einfaches axiales Aufschieben vormontierbares Teil vorhanden.
Wenn ein derartiges Lager als oberes Lenkungslager in einer Lenksäule ein­ gesetzt ist, müssen Mittel zur Übertragung des elektrischen Stromes von der Lenkwelle über das Wälzlager zum aufnehmenden Lenkrohr vorhanden sein. Dies ist für die Betätigung des Signalhorns oder für das Auslösen des Airbags erforderlich. Die leitende Verbindung zwischen Lenkwelle und Lenkrohr kann beispielsweise derart erfolgen, daß eine Wickelfeder Lenkwelle und Lenkrohr leitend verbindet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß im oberen Len­ kungslager ein leitender Zwischenring angeordnet ist, der eine stromleitende Verbindung zwischen Lenkwelle und innerem Lagerring herstellt. Die Strom­ übertragung erfolgt in diesem Fall über Lenkwelle, leitenden Zwischenring, inneren Laufring, Wälzkörper, äußeren Laufring bis hin zum Lenkrohr. Nachtei­ lig dabei ist, daß in beiden Fällen ein zusätzliches Teil, nämlich die Wickelfe­ der oder der Zwischenring gefertigt und gehandhabt werden müssen. Das ver­ teuert den Montagevorgang und erhöht den Preis des Lenkungslagers.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Lenkungslager zu entwickeln, dessen Herstellung und Montage vereinfacht ist.
Erfindunsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von An­ spruch 1 dadurch gelöst, daß der Toleranzring aus einem elektrisch leitenden polymeren Werkstoff hergestellt ist. Nach der Erfindung wird also die leitende Verbindung zwischen Lenkwelle und Lenkrohr durch einen immanenten Be­ standteil des Lenkungslagers selbst übernommen. Unter immanent ist dabei im wörtlichen Sinne "innewohnend, in der betreffenden Sache enthaltend" zu ver­ stehen. Es liegt auf der Hand, daß dadurch die Montage eines Lenkungslagers vereinfacht ist, da ein die Stromleitung übernehmendes zusätzliches Bauteil nicht gefertigt und nicht gehandhabt werden muß.
Nun sind zwar die elektrischen Eigenschaften von Kunststoffen in der Regel so, daß diese als Isolierstoffe verwendet werden. Durch geeignete Maßnahmen kann man jedoch die elektrische Leitfähigkeit soweit erhöhen, daß sie sich wie Metalle verhalten, d. h. den elektrischen Strom leiten. So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, daß die Leitfähigkeit des polymeren Werkstoffes durch Zusatz von Kohle-, Stahlfasern oder Rußpartikeln realisiert ist. Dies hat den Vorteil, daß die Leitfähigkeit des polymeren Kunststoffes bereits während seines Ferti­ gungsprozesses gegeben ist, so daß eine Nachbehandlung des fertigen Kunststoffteiles nicht erforderlich ist.
Aus Anspruch 3 geht hervor, daß die Leitfähigkeit des polymeren Werkstoffes auch durch einen metallischen Überzug hergestellt werden kann, wobei gemäß Anspruch 4 dieser metallische Überzug galvanisch, chemisch oder durch PVD- Verfahren aufgebracht sein soll.
Bei den galvanischen Verfahren ist es erforderlich, nach dem Reinigen und Aufrauhen eine leitende Schicht auf den Kunststoff aufzubringen. Die galvani­ sche Verfahrenstechnik erlaubt es grundsätzlich, nahezu beliebig geformte Bauteile mit dichten, porenfreien und festhaftenden Metallüberzügen zu verse­ hen. Die Abscheidung erfolgt in bekannter Weise aus wässrigen Lösungen, welche das abzuscheidende Metall in Form von Ionen enthalten. Durch Anle­ gen von Spannung werden die Metallionen an die Bauteilenoberflächen trans­ portiert, dort reduziert und haftfest auf der Oberfläche angelagert.
Die chemische oder stromlose Metallisierung erfolgt in bekannter Weise derart, daß Metallione aus einer Salzlösung durch Reduktionsmittel ausgefällt werden. Der sich bildende metallische Niederschlag schlägt sich auf dem Bauteil nie­ der. Die beim direkten stromlosen Metallisieren abgeschiedenen Metallschich­ ten sind jedoch im allgemeinen sehr dünn, wobei Schichtdicken im Bereich von 1 bis 5 µm üblich sind. Derartig stromlos abgeschiedene Metallschichten kön­ nen dann auch bei Bedarf galvanisch verstärkt werden.
Unter PVD-Verfahren versteht der Fachmann Schichten, die nach dem Prinzip "Physical Vapour Deposition" erzeugt werden, d. h. sie entstehen durch Ab­ scheiden von Atomen oder Molekülen aus der Gasphase. Der Schichtdicken­ bereich dieser Schichten kann dabei von einigen Zehntel µm bis zu einigen Millimetern reichen. Zu den PVD-Verfahren zählen das Vakuumaufdampfver­ fahren (Bedampfen), das Sputtern (Zerstäubungsschichten) und das Ionenplat­ tieren. Bei Vakuumaufdampfen wird dabei in bekannter Weise in einer Vaku­ umkammer Metall verdampft, welches sich auf der Oberfläche des Bauteils niederschlägt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Abscheidege­ schwindigkeit. Im allgemeinen werden bei diesen Verfahren nur dünne Schichten bis zu ca. 1 µm abgeschieden, weil in dickeren Überzügen infolge der relativ hohen Prozeßtemperatur Spannungen auftreten können, die zu Rißbil­ dungen und zur Schichtablösung führen können. Beim Sputtern wird das Be­ schichtungsmaterial durch in einem Glimmentladungsplasma erzeugte Edelga­ sionen aus einem Target herausgeschlagen, zerstäubt und auf dem in der Nä­ he des Targets angebrachten Bauteil niedergeschlagen. Durch die hohe Teil­ chenenergie werden beim Sputtern sehr haftfeste Beschichtungen erreicht. Beim Ionenplattieren wird das zum Teil ionisierte dampfförmige Beschich­ tungsmaterial auf dem auf eine negative Vorspannung gebrachten Bauteil ab­ geschieden. Das Beschichtungsmaterial trifft dabei mit hoher Energie auf das Substrat auf. Dies führt einerseits zu guten Haftfestigkeiten, kann andererseits aber die thermische Belastung des Bauteils unter Umständen übersteigen.
Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, daß der metallische Überzug eine Kupfer- oder eine Silberschicht sein soll. Beide Metalle sind besonders vorteilhaft, da sie einerseits eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und sich andererseits auch relativ einfach auf einen Kunststoffbauteil durch die vorstehend beschriebenen Verfahren ab­ scheiden lassen.
Nach einem anderen zusätzlichen Merkmal ist gemäß Anspruch 6 vorgesehen, daß der Toleranzring aus einem leitfähigen Polyamid hergestellt ist. Polyamide sind dem Fachmann wegen ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt. Sie besitzen insbesondere eine gute Formbeständigkeit in der Wärme und sind gegen Treib- und Schmierstoffe sehr beständig.
Aus Anspruch 7 geht hervor, daß das Wälzlager mit einem elektrisch leitfähi­ gem Fett befüllt ist. Derartige Fette enthalten in der Regel einen 20%igen Kupferanteil und sorgen dafür, daß der Stromübergang von Innenring zu Wälz­ körper und Außenring verbessert ist.
In den Ansprüchen 8, 9, 10, 11 und 12 sind konkrete Ausführungsformen von Wälzlagern beschrieben, die mit einem elektrisch leitfähigen Toleranzring aus einem polymeren Werkstoff hergestellt sind. Nach Anspruch 8 ist vorgesehen, daß das Wälzlager als ein Schrägkugellager ausgebildet ist, dessen Toleranz­ ring durch gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Ausspa­ rungen über einen Teil seiner axialen Länge federnde Haltezungen aufweist, die den Innenring mit einem radialen Vorsprung hintergreifen, am anderen En­ de des Toleranzringes ein Spannelement zum axialen Vorspannen des Lagers angeordnet ist und die Lagerkugeln in einem Käfig geführt sind, der an einem Ende einen radial nach außen weisenden, den Lageraußenring hintergreifen­ den ersten Vorsprung und am anderen Ende einen radial nach innen weisen­ den, den Lagerinnenring hintergreifenden zweiten Vorsprung besitzt. Gemäß Anspruch 9 soll bei einer solchen Ausbildung eines Schrägkugellagers das Spannelement als eine Wellfeder ausgebildet sein, die mit gleichmäßig in Um­ fangsrichtung voneinander beabstandeten axialen Vorsprüngen in zugehörige Ausnehmungen des Toleranzringes eingreift. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln eine verliersichere Lagerbaueinheit gebildet, die sich sehr gut handha­ ben läßt.
Eine zweite spezielle Ausführungsform eines Lenkungslagers geht aus An­ spruch 10 hervor. Danach soll der Lageraußenring zweiteilig ausgebildet sein, der Toleranzring ein mit einer Feder einstückg verbundenes Bauteil bilden und auf der abgewandten Seite eines radial nach innen vorstehenden Flansches des Lagerinnenringes radial elastische Vorsprünge und axial elastische Rippen besitzen.
Schließlich geht aus dem zweiten selbständigen Anspruch 11 hervor, daß das Wälzlager mit einem Toleranzring aus einem elektrisch leitenden polymeren Werkstoff auch derart ausgebildet sein kann, der in Umkehrung der Verfah­ rensweise mit seiner inneren Aufnahmebohrung den Lageraußenring eines Wälzlagers aufnimmt. In diesem Fall ist in vorteilhafter Weise nach An­ spruch 12 vorgesehen, daß der Lageraußenring als eine dünnwandige ge­ schlitzte, die Lagernadeln mit Vorspannung umschließende Hülse ausgebildet ist, die wiederum vom Toleranzring mit Vorspannung umschlossen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Lenksäulenlagerung;
Fig. 2, 3, 4 einen Längsschnitt durch verschiedenartig ausgebildete Lenkungslager.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in Fig. 1 dargestellte Lenksäule 1 besteht aus der Lenkwelle 2, die an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende über zwei voneinander beabstandete Nadellager 4 im ortsfest angeordneten Lenkrohr 3 drehbar gelagert ist.
Die in Fig. 2 vergrößert dargestellten Nadellager 4 bestehen aus der dünn­ wandigen Hülse 5, die an einer Stelle ihres Umfanges den durchgehenden Schlitz 6 aufweist. Die innere Mantellfäche der Hülse 5 bildet die nicht be­ zeichnete äußere Laufbahn für die im Käfig 7 geführten Lagernadeln 8. Die zweite Laufbahn der Lagernadeln 8 wird von der Mantelfläche der Lenkwelle 2 gebildet. Die geschlitzte Hülse 5 ist von dem elastischen Toleranzring 9 umge­ ben, so daß die Lagernadeln 8 durch den Toleranzring 9 bzw. die geschlitzte Hülse 5 unter Vorspannung gehalten sind, d. h. der Nadellager 4 ist spielfrei eingestellt.
Wie die Fig. 2 weiter zeigt, ist der elastische Toleranzring 9 an seiner äuße­ ren Mantelfläche mit nebeneinander angeordneten Noppen 10 und 11 verse­ hen, die eine unterschiedliche radiale Ausdehnung aufweisen. Ist nun in erfin­ dungsgemäßer Weise der Toleranzring 9 aus einem elektrisch leitenden poly­ meren Werkstoff hergestellt, so kann der Stromfluß durch das Nadellager 4 beginnend von der metallischen Lenkwelle 2 über die metallischen Lagerna­ deln 8 der Hülse 5 und den leitfähigen Toleranzring 9 bis zum metallischen Lenkrohr 3 erfolgen.
Das in Fig. 3 gezeigte Schrägkugellager 12 besteht aus zwei spanlos herge­ stellten Lagerringen 13 und 14, zwischen denen auf zugehörigen Laufbahnen in dem Käfig 16 geführte Lagerkugeln 15 abwälzen. Die Lagerringe 13, 14 sind spanlos aus dem Stahl St4 oder 16MnCr5 gefertigt, einsatzgehärtet und ange­ lassen. Der Käfig 16 hintergreift auf der linken Seite mit einem radial nach au­ ßen gerichteten ersten Vorsprung 17 den Lageraußenring 13 und hintergreift auf der anderen Seite mit dem radial nach innen gerichteten zweiten Vor­ sprung 18 den Lagerinnenring 14. Der Lagerinnenring 14 sitzt mit seiner inne­ ren Mantelfläche auf dem Toleranzring 19, der wiederum in erfindungsgemäßer Weise aus einem elektrisch leitenden polymeren Werkstoff hergestellt ist. Die­ ser Toleranzring 19 ist durch gleichmäßig um seinen Umfang voneinander be­ abstandete Aussparungen 20 in Haltezungen 21 untergliedert, die mit dem radial nach außen gerichteten Vorsprung 22 den Lagerinnenring 14 hinter­ greifen. Auf diese Weise ist durch den Toleranzring 19 und den Lagerkäfig 16 eine unverlierbare Baueinheit gebildet. An der den federnden Haltezungen abgewandten Seite ist der Toleranzring 19 mit einer Wellfeder 23 bestückt, die axial gerichtete Vorsprünge 24 besitzt, welche in zugehörige Ausnehmun­ gen 25 des Toleranzringes 19 eingreifen. Die Leitugn des elektrischen Stromes erfolgt in diesem Fall wiederum über die nicht gezeigte Lenkwelle 2, den leitfä­ higen Toleranzring 19, den Lagerinnenring 14, die Lagerkugeln 15 und dem Lageraußenring 13 bis zum ebenfalls nicht dargestellten Lenkrohr 3.
Das Kugellager 26 gemäß Fig. 4 besteht aus dem Lageraußenring 27, des­ sen zwei Teilringe 28, 29 von der Hülse 30 mit nach innen umgelegten Borden aufgenommen sind. Die andere Lautbahn für die Lagerkugeln 33 wird von dem Lagerinnenring 31 gebildet, der linksseitig einen radial nach innen vorstehen­ den Flansch 32 aufweist. Der Toleranzring 34 ist wiederum aus einem leitfähi­ gen polymeren Werkstoff gefertigt und innerhalb der Aufnahmebohrung des Lagerinnenringes 31 angeordnet. An der rechten Stirnseite des Toleranzringes 34 grenzt eine Feder 35 an, die aus denselben polymeren Werkstoff wie der Toleranzring 34 besteht und mit diesem einstückig ausgeführt ist. Als Fe­ derelemente dienen mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Rippen 36. Diese sind axial nach außen gewölbt und verformen sich elastisch, wenn über einen Anlagering 37 eine Axialkraft auf das festgehaltene Kugella­ ger 26 ausgeübt wird. Um diese Wälzlagerbaueinheit auf die Lenkwelle 2 in einfacher Weise axial so festzulegen, daß ein Zurückschieber nicht mehr mög­ lich ist, weist der Toleranzring 34 mehrere radial elastische Vorsprünge 38 auf, die in den Bereich der Bohrung des Toleranzringes 34 hineinragen. Diese Vor­ sprünge 38 können in Ausnehmungen 39 der Lenkwelle 2 einrasten und sich innerhalb der Ausnehmungen 39 an Stützflächen 40 abgestützen, wobei die Stützflächen 40 sich vorzugsweise in zur Lenkwellenachse rechtwinkligen Ebenen befinden. Auch hier erfolgt wiederum der Stromübergang in der bereits vorbeschriebenen Weise von der Lenkwelle 2 über den leitfähigen Toleranz­ ring 34, über den Lagerinnenring 31, die Lagerkugeln 33 sowie den Lagerau­ ßenring 27 bis zum Lenkrohr 3.
Bezugszeichen
1
Lenksäule
2
Lenkwelle
3
Lenkrohr
4
Nadellager
5
Hülse
6
Schlitz
7
Käfig
8
Lagernadel
9
Toleranzring
10
Noppe
11
Noppe
12
Schrägkugellager
13
Lageraußenring
14
Lagerinnenring
15
Lagerkugel
16
Käfig
17
erster Vorsprung
18
zweiter Vorsprung
19
Toleranzring
20
Aussparung
21
Haltezunge
22
radialer Vorsprung
23
Wellfeder
24
Vorsprung
25
Ausnehmung
26
Kugellager
27
Lageraußenring
28
Teilring
29
Teilring
30
Hülse
31
Lagerinnenring
32
Flansch
33
Lagerkugel
34
Toleranzring
35
Feder
36
Rippen
37
Anlagering
38
radialer Vorsprung
39
Ausnehmung
40
Stützfläche

Claims (12)

1. Wälzlager (12, 26) zur Lagerung einer Lenkwelle (2), bestehend aus zwei Lagerringen (13, 14, 27, 31) mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern (15, 33), wobei der Innenring (14, 31) von einem Toleranzring (19, 34) aus einem elastisch federnden polymeren Werkstoff aufgenommen ist und Mittel zur Übertragung des elektrischen Stromes von der Lenkwelle (2) zu einem das Wälzlager (12, 26) aufnehmenden Lenkrohr (3) vorhanden sind, da­ durch gekennzeichnet, daß der Toleranzring (19, 34) aus einem elektrisch leitenden polymeren Werkstoff hergestellt ist.
2. Wälzlager (12, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des polymeren Werkstoffes durch Zusatz von Kohle-, Stahlfa­ sern oder Rußpartikeln realisiert ist.
3. Wälzlager (12, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des polymeren Werkstoffes durch einen metallischen Überzug realisiert ist.
4. Wälzlager (12, 26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Überzug galvanisch, chemisch oder durch PVD-Verfahren auf­ gebracht ist.
5. Wälzlager (12, 26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, der metal­ lische Überzug eine Kupfer- oder eine Silberschicht ist.
6. Wälzlager (12, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Toleranzring (19, 34) aus einem leitfähigen Polyamid (PA) hergestellt ist.
7. Wälzlager (12, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem elektrisch leitfähigen Fett befüllt ist.
8. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schräg­ kugellager (12) ausgebildet ist, dessen Toleranzring (19) durch gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Aussparungen (20) über ei­ nen Teil seiner axialen Länge federnde Haltezungen (21) aufweist, die den Lagerinnenring (14) mit einem radialen Vorsprung (22) hintergreifen, am anderen Ende des Toleranzringes (19) ein Spannelement zum axialen Vor­ spannen des Wälzlagers angeordnet ist und die Lagerkugeln (15) in einem Käfig (16) geführt sind, der an einem Ende einen radial nach außen wei­ senden, den Lageraußenring (13) hintergreifenden ersten Vorsprung (17) und am anderen Ende einen radial nach innen weisenden, den Lagerinnen­ ring (14) hintergreifenden zweiten Vorsprung (18) besitzt.
9. Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Span­ nelement eine Wellfeder (23) ist, die mit gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten axialen Vorsprüngen (24) in zugehörige Aus­ nehmungen (25) des Toleranzringes (19) eingreift.
10. Wälzlager (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß der La­ geraußenring (27) geteilt ausgebildet ist, der Toleranzring (34) ein mit einer Feder (35) einstückig verbundenes Bauteil bildet und auf der abgewandten Seite eines radial nach innen vorstehenden Flansches (32) des Lagerinnen­ ringes (31) über radial elastische Vorsprünge (38) und axial elastische Rip­ pen (36) verfügt.
11. Wälzlager (4) zur Lagerung einer Lenkwelle (2), bestehend aus wenigstens einem Lageraußenring und auf dessen Lauffläche abrollenden Wälzkör­ pern, wobei der Außenring von einem Toleranzring (9) aus einem elastisch federnden polymeren Werkstoff aufgenommen ist und Mittel zur Übertra­ gung des elektrischen Stromes von der Lenkwelle (2) zu einem das Wälzla­ ger (4) aufnehmenden Lenkrohr (3) vorhanden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Toleranzring (9) aus einem elektrisch leitenden polyme­ ren Werkstoff hergestellt ist.
12. Wälzlager (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der La­ geraußenring als eine dünnwandige geschlitzte, die Lagernadeln (8) mit Vorspannung umschließende Hülse (5) ausgebildet ist, die wiederum vom Toleranzring (9) mit Vorspannung umschlossen ist.
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