DE4123061C2 - Anordnung mit einer flexiblen Welle, insbesondere Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff der selbstständigen Patentansprüche. Eine Welle dieses Aufbaus ist aus der DE-OS 21 50 061 als Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug in der Weise bekannt, daß Bandmaterial unter Wahrung von Abständen zwischen den einzelnen Windungen schraubenlinienformig gewickelt ist und die Windungen über längs Mantellinien der Welle verlaufende Stege fest miteinander verbunden sind. Dadurch entsteht eine Sicherheitslenkwelle, die einerseits stauchbar ist, andererseits infolge der beschriebenen festen Verbindungen Lenkbefehle weit­ gehend winkeltreu vom Lenkrad zum Lenkgetriebe überträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bzw. 11 zu schaffen, die auch bei nicht linearem Verlauf ihrer Achse, also gekrümmtem Einbau, wie er beispielsweise durch Einbauschwierigkeiten in einem Kraftfahrzeug gegeben sein kann, bei einfachem Aufbau eine winkeltreue Übertragung von Drehbewegungen sicherstellt (Patentanspruch 1) bzw. die automatische Montage der flexiblen Welle vereinfacht (Patentanspruch 11).

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen der selbstständigen Ansprüche, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Im Prinzip stellt die bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorge­ sehene flexible Welle also eine eine Vielzahl von in dauernder Be­ rührung stehenden Windungen besitzende Zugfeder dar, wobei die Win­ dungen ineinandergreifende Ausbiegungen besitzen, die durch gegen­ seitige Abstützung im Bereich ihrer Flanken die erforderliche Torsionsbeanspruchbarkeit der Welle sicherstellen.

In der nicht vorveröffentlichten DE 41 02 960 A1 ist vorgeschlagen worden, daß die sich gegenseitig abstützenden Flanken der Ausbiegungen linear und schräg zu Mantellinien verlaufen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Flankenform möglich, die sicherstellt, daß bei Torsionsbeanspruchungen der Welle auftretende Stützkräfte zwischen aufeinanderliegenden Flanken im wesentlichen in Umgangsrichtung verlaufen und demgemäß keine Kraftkomponenten enthalten, die zu einem Herausrutschen der ineinandergreifenden Ausbiegungen verschiedener Windungen führen können.

Zwar ist aus der DE 23 46 550 C3 eine Konstruktion bekannt, die ebenfalls aus schraubenlinienartig gewickelten Material besteht, das mit ineinandergreifenden angeformten Zähnen versehen ist, aber dabei handelt es sich um eine biegsame Schnecke für ein Schnecken­ getriebe. In Abweichung von einer derartigen Schnecke, die gleich­ sam als rotierendes Gewinde im wesentlichen parallel zu ihrer Achs­ richtung auf Zug und Druck beansprucht wird, handelt es sich bei der im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehenen echten Welle um ein Bauteil, das auf Torsion beansprucht ist.

Aus der US 2,515,365 ist ein flexibles Rohr für Bohrungen bekannt. Dieses Rohr weist einen im wesentlichen spiralförmig verlaufenden Schlitz auf, wobei an den Kanten vorgesehene, etwa schwalbenschwanzförmige Verzahnungen von einander benachbarten Windungen ineinander greifen.

Ein Drahtseil für die Reinigung von Abflußrohren mit einem inneren Kern, der aus einem gewickelten Draht gebildet ist, und einer äußeren Wicklung, die aus einem entgegengesetzt zum inneren Kern gewickelten Draht gebildet ist und den inneren Kern mit einem kleinen Spiel umgibt, ist in der DE 34 20 740 A1 beschrieben.

Bei der im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehenen flexiblen Welle werden insbesondere in Umfangsrichtung wir­ kende Kräfte über die Flanken schlupffrei zwischen einander an­ liegenden Windungen übertragen. Je nach Festlegung des Quer­ schnittsprofils des Materials, der achsparallelen Erstreckung der Ausbiegungen, der Zahl der Ausbiegungen je Windung, also über den Umfang betrachtet, und dem Schlankheitsgrad der Welle, also dem Verhältnis ihrer Querschnittsabmessungen zu ihrer Länge, kann die Torsions- bzw. Längssteifigkeit der Welle den individuellen An­ forderungen angepaßt werden. So sind, je nach den Anforderungen bezüglich des zu übertragenden Drehmoments, runde bis quadratische Materialquerschnitte geeignet. Im Prinzip sind aber auch Hohlquer­ schnitte und H-ähnliche Querschnitte für das die Windungen bildende Material möglich. Auch hinsichtlich der Querschnittsform der Welle als solcher sind unterschiedliche Lösungen möglich; so kann der Wickeldorn einen runden Querschnitt oder einen Vieleckquerschnitt aufweisen.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Anordnung ge­ schaffen, die auch bei Einsatz mit gekrümmter Längsachse eine win­ kelgetreue Drehmomentübertragung sicherstellt.

Flexible Wellen dieses Aufbaus besitzen den weiteren Vorteil, daß sie den Einsatz von Kreuzgelenken und homokinetischen Gelenken zumindest in vielen Fällen überflüssig machen. Weiterhin können die Ausbiegungen in vorteilhafter Weise zugleich zur Festlegung der Welle an starren Anschlüssen dienen, die beispielsweise zu einem Lenkrad oder einem Lenkgetriebe führen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der zeichnerisch darge­ stellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Lenkwelle,

die Fig. 2, 3 und 4 die in Fig. 1 bei II, III-III und IV-IV angegebenen Ansichten,

Fig. 5 eine andere Ausbildung der Verbindung zwischen dem flexiblen Mittelteil der Welle und einem starren Anschluß,

Fig. 6 eine weitere Ausbildung dieser Verbindung,

Fig. 7 eine Ausbildung dieser Verbindung unter Verwendung zusätzlicher Stifte,

Fig. 8 einen Längsschnitt im Bereich eines Anschlusses,

Fig. 9 die in Fig. 8 bei IX-IX angegebene Quer­ schnittsansicht,

Fig. 10 eine gesamte Lenkwellenanordnung,

Fig. 11 die in Fig. 10 bei XI-XI angegebene Schnittansicht und

Fig. 12 eine weitere mögliche Ausbildung der Verbindung.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so besteht die dort dargestellte Lenkwelle aus dem flexiblen Mittel- oder Hauptteil 1 und den beiden mit diesem drehfest verbundenen starren Anschlüssen 2 und 3, von denen der Anschluß 2 im eingebauten Zustand der Welle eine dreh­ feste Verbindung mit einem nicht dargestellten, da einen bekannten Aufbau besitzenden Lenkgetriebe und der Anschluß 3 eine ebenfalls drehfeste Verbindung mit einem nicht dargestellten Lenkrad her­ stellt.

Der flexible Hauptteil 1 ist durch Wickeln von Federdraht herge­ stellt, so daß eine Vielzahl von Windungen entsteht, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur zwei Windungen, nämlicher die Win­ dungen 5 und 6, durch Bezugszeichen besonders hervorgehoben sind. Die Windungen besitzen gleichgerichtete sinusähnliche Ausbiegungen 7 und 8, die mit ihren Achsen annähernd auf einer Mantellinie ver­ laufend ineinanderragen und sich in Umfangsrichtung paarweise mit ihren Flanken 9, 10 und 11, 12 abstützen. Wie unmittelbar aus Fig. 1 ersichtlich, verlaufen diese Flanken nicht geradlinig, sondern sind etwa S-förmig profiliert, so daß sich im wesentlichen parallel zur Achse der Ausbiegungen und damit zu einer Mantellinie verlaufende Berührungsflächen ergeben. Diese Ausrichtung der Be­ rührungsflächen oder -linien in Verbindung mit der Reibung zwischen den aufeinanderliegenden Flanken stellt sicher, daß auch bei rela­ tiv großen Torsionsmomenten praktisch keine Kraftkomponenten in Richtung der Achse 13 der Welle auftreten, die zu einem Lösen der einzelnen Windungen voneinander führen könnten. Dennoch ist der Hauptteil 1 der Welle biegsam, so daß sich im Einbauzustand der Welle eine gekrümmte Achse 13 einstellen kann, ohne daß die winkel­ getreue Drehmomentübertragung darunter leidet.

Erfindungsgemäß dienen die Ausbiegungen, von denen also in Fig. 1 nur die mit 7 und 8 bezeichneten erläutert sind, da die Verhält­ nisse im Bereich der weiteren ineinandergreifenden Ausbiegungen identisch sind, auch zur Herstellung dreh- und zugfester Verbin­ dungen zwischen der eigentlichen Welle 1 einerseits und den starren Anschlüssen 2 und 3 andererseits. Dies veranschaulichen bezüglich der Verbindung mit dem Anschluß 2 die Fig. 2, 3 und 4:

Der starre Anschluß 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Teilen, nämlich dem mit der Innenverzahnung 14 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Wellenzapfens versehenen Hauptteil 15 und der Hülse 16, die durch Punktschweißung 17 dreh- und zugfest am Hauptteil 15 festgelegt ist. Im Bereich der Verzahnung 14 ist das Hauptteil 15 mit dem Schlitz 18 zum Einspannen des eingeführten Wellenzapfens unter Verwendung eines Gewindebolzens versehen, der in die Öffnung 19 eingeführt wird.

Von besonderem Interesse ist nun die Festlegung der eigentlichen flexiblen Welle 1 an dem Anschluß 2. Man erkennt in den Fig. 2, 3 und 4 bei 4 das die eigentliche flexible Welle 1 bildende Feder­ drahtmaterial, dessen Form bereits anhand Fig. 1 erläutert wurde. Wie ebenfalls Fig. 1 erkennen läßt, überdeckt die Hülse 16 Ausbie­ gungen zumindest der in Fig. 1 letzten linken Windung der eigent­ lichen flexiblen Welle 1, und wie die Fig. 3 und 4 zeigen, weist die Hülse 16 radial nach innen weisende Eindrückungen 20 auf, mit denen sie Scheitelbereiche dieser Ausbiegungen hintergreift. Durch dieses Hintergreifen wird eine Abziehsicherung zwischen den Teilen 1 und 2 geschaffen; zugleich wird auch eine in Umfangsrichtung drehfeste Verbindung zwischen diesen beiden Teilen hergestellt.

Während in dem eben erläuterten Ausführungsbeispiel die Hülse durch Punktschweißverbindungen am Hauptteil des Anschlußes 2 gehalten ist, besitzt in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 der Hauptteil 30 des allgemein mit 31 bezeichneten - hier bezüglich der Dar­ stellung der Fig. 1 rechten - Anschlusses die Nut 32, in die die Hülse 33 mit Stegen 34 hineingebogen ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Nut 32 nicht über den gesamten Umfang des Teils 30 umläuft, damit eine drehfeste Verbindung geschaffen wird.

Im übrigen greift auch hier die Hülse 33 mit radialen Eindrückungen 35 in Ausbiegungen der eigentlichen flexiblen Welle, deren Material bei 36 angedeutet ist, zur Erzeugung einer dreh- und zugfesten Ver­ bindung ein.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist die Hülse 40, die in bereits mehrfach beschriebener Weise durch radiale Eindrückungen das Ende der durch ihr Material 42 angedeuteten eigentlichen flexiblen Welle arretiert, einteilig mit dem im Querschnitt un­ runden Anschlußbereich 43 des Anschlusses 45 beispielsweise für eine kurze starre Lenkwelle nebst Lenkrad ausgeführt. Sie preßt das Federdrahtmaterial 42 gegen den hohlzylindrischen Einsatz 44, der demgemäß in die Hülse 40 eingepreßt ist. Diese Lösung ist her­ stellungsmäßig besonders einfach, da zusätzliche Maßnahmen zur Festlegung der Hülse an einem Hauptteil des Anschlusses 45 in Fortfall kommen.

Entsprechendes gilt für die Ausbildung gemäß Fig. 7. Hier ist das Hauptteil 50 des Anschlusses 51 mit radial nach außen weisenden Stiften 52, von denen nur einer dargestellt ist, versehen, die in Ausbiegungen der flexiblen Welle, dargestellt durch das Federdraht­ material 53, arretierend eingreifen. Die Hülse 54 hat hier ledig­ lich die Aufgabe, das Material 53 niederzuhalten, so daß auch bei hohen Drehmomentbelastungen die Ausbiegungen der eigentlichen flexiblen Welle nicht über die Stifte 52 gleiten können.

Auch in dem in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Anschluß 60 eine Hülse 61, die einteilig mit dem Haupt­ teil 62 hergestellt ist. Auch hier erfolgt die Festlegung der durch ihr Drahtmaterial 63 angedeuteten eigentlichen flexiblen Welle durch radiale Eindrückungen 64 der Hülse 61.

Im übrigen ist diese Konstruktion optimiert im Hinblick auf ihren Einsatz im Rahmen einer automatischen Montage. Zu diesem Zweck ist das in Einführrichtung vordere Ende 65 eines beispielsweise zu einem Lenkrad führenden Wellenzapfens 66 abgerundet ausgeführt, so daß es leicht in Fig. 8 von rechts her in die Ausnehmung 62a im Hauptteil 62 des Anschlusses 60 eingefädelt werden kann. Wie Fig. 9 erkennen läßt, besitzen die beiden zusammenwirkenden Teile 62 und. 66 nichtrunde Querschnitte, so daß eine drehfeste Verbindung ent­ steht. Zur Arretierung des Wellenzapfens 66 in dem Hauptteil 62 des Anschlusses 60 dient eine Schnappverbindung mit den beiden Arre­ tierbolzen 67 und 68, die in einer Querbohrung unter der Wirkung der Druckfeder 69 radial nach außen verschiebbar sind und dadurch bei geeigneter Relativlage zwischen den Teilen 66 und 62 in der gezeigten Weise in Ausnehmungen 70 und 71 des Anschlußteils 62 ein­ rasten. Ihre bezüglich der Einführbewegung vorderen Stirnseiten sind bei 72 und 73 abgeschrägt, um das Einführen des Wellenzapfens 66 durch selbsttätiges Zurückdrücken der Arretierungsbolzen 67 und 68 zu ermöglichen. Ein Entfernen des Achszapfens 66 ist leicht durch Einführen von Werkzeugen radial von außen in die Ausnehmungen 70 und 71 möglich.

Die Fig. 10 und 11 zeigen ein Ausführungsbeispiel für eine er­ findungsgemäße Lenkwellenanordnung, wobei die eigentliche flexible Lenkwelle 80 in Einbaulage eine gekrümmte Längsachse 81 besitzt. Die flexible Lenkwelle besitzt einen bereits anhand Fig. 1 erläu­ terten Aufbau mit dem flexiblen gewickelten Hauptteil 82 und An­ schlüssen 83 und 84. Der untere Anschluß 83 führt zu einem in seinem Aufbau bekannten Lenkgetriebe 85, das relativ nah am Fahr­ gastraum 86 angeordnet ist, wodurch die gekrümmte Einbaulage der Lenkwelle 80 erforderlich wird.

Zur Erleichterung der automatischen Montage ist ein Querwandbereich 87 des Fahrzeugs mit einer aus Kunststoff bestehenden Führungs­ schale 88 versehen, die in Betriebslage die flexible Welle 80 mit gewissem Abstand auf ihrer Krümmungsrückseite umgibt, dagegen während der automatischen Montage der Lenkwelle, die in Fig. 10 von rechts oben her oder von unten erfolgt, die Lenkwelle in Richtung auf das Lenkgetriebe 85 führt.

Wie Fig. 11 zeigt, besitzt die Führungsschale 88 bei 89 aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehende Montagestifte, die Ausneh­ mungen in dem Querwandteil 87 durchsetzen und durch Heißverformen eine pilzähnliche Form erhalten haben.

Wie schließlich Fig. 12 zeigt, kann der eigentliche Anschluß 100 auf seiner der letzten Windung 101 des flexiblen Hauptteils der Welle zugekehrten Stirnseite 102 so profiliert sein, daß er die sinusähnlichen Ausbiegungen 103 im Bereich ihrer Scheitel aufnimmt. Nicht dargestellt ist hier eine die Scheitelbereiche abdeckende und sie mit Eindrückungen hintergreifende Hülse.

Claims (12)

1. Anordnung mit einer flexiblen Welle, insbesondere Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, mit einem endseitig mit starren Anschlüssen versehenen flexiblen Hauptteil aus schraubenlinienförmig ge­ wickeltem Material, dessen Windungen Torsionsbeanspruchungen der Welle übertragend in Verbindung stehen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einander benachbarte Windungen (5, 6) des Federeigenschaften besitzenden Materials (4) mit mit ihren Achsen annähernd auf Mantellinien der Welle verlaufenden, gleichgerichteten sinusähnlichen Ausbiegungen (7, 8) ineinan­ dergreifen, die sich in Umfangsrichtung mit einander paarweise benachbarten Flanken (9, 10, 11, 12) drehmomentübertragend an­ einander abstützen, während Scheitelbereiche von Ausbiegungen der endseitigen Windungen von radial angeordneten Befestigungsmitteln (16) der starren Anschlüsse (2, 3) hintergriffen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ festigungsmittel eine an dem jeweiligen Anschluß (2, 3) unbe­ weglich festgelegte, die Scheitelbereiche überdeckende Hülse (16) mit in die Scheitelbereiche hineinragenden örtlichen Profilen (20) enthalten.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (61) einteilig mit dem eigentlichen Anschluß (60) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (16) durch Formschluß und/oder Schweißverbindung (17) an dem eigentlichen Anschluß (15) festgelegt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Befestigungsmittel radial in die Scheitelbe­ reiche hineinragende Stifte (52) am jeweiligen Anschluß (50) enthalten.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelbereiche von einem am eigentlichen Anschluß (50) fest­ gelegten hülsenartigen Niederhalter (54) überdeckt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest ein Anschluß (60) einen hohlzylindri­ schen Bereich (62a) zur Aufnahme eines Wellenzapfens (66) ent­ hält, der in einer Querbohrung federnd radial nach außen vorgespannte und in Ausnehmungen (70, 71) im Anschluß (60) hineinragende Arretierbolzen (67, 68) enthält.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Stirnseiten der Arretierbolzen (67, 68) in Einführ­ richtung des Wellenzapfens (66) abgeschrägt (72, 73) sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der jeweilige starre Anschluß (100) eine der letzten Windung (101) zugekehrte Stirnseite (102) solcher Profilierung besitzt, daß sie die Scheitelbereiche der sinus­ ähnlichen Ausbiegungen (103) aufnimmt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei gekrümmtem Einbau der Welle (80) dieser krümmungsaußenseitig eine Führungsschale (88) gegenübersteht.

11. Anordnung mit einer flexiblen Welle, insbesondere Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, mit einem endseitig mit starren Anschlüssen versehenen flexiblen Hauptteil aus schraubenlinienförmig gewickeltem Material, dessen Windungen Torsionsbeanspruchungen der Welle übertragend in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß bei gekrümmtem Einbau der Welle (80) dieser krümmungsaußenseitig eine Führungsschale (88) gegenübersteht.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschale (88) auf ihrer der Welle (80) abgekehrten Rückseite mit Montagestiften (8) aus thermoplastischem Kunststoff in Ausnehmungen eines tragenden Teils (87) festgelegt ist.