Lenksäule mit Lenkungslager und Lenkungslager einer Lenksäule

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lenksäule zumindest mit einem Mantelrohr, einer Lenkspindel und wenigstens einem Lenkungslager zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel in dem Mantelrohr, das Lenkungslager wenigstens aufweisend einen im Mantelrohr sitzenden Außenring, einen Innenring sowie zwischen dem Außenring und einem Laufbahnabschnitt des Innenrings angeordnete Wälzkörper, wobei der Innenring an nur zwei Stellen an der Lenkspindel anliegt, und dazu einen sich axial an den Laufbahnabschnitt anschließenden ersten Abschnitt aufweist, der unter Vorspannung an der ersten Stelle an der Lenkspindel anliegt, sowie einen zweiten Abschnitt aufweist, der axial zu dem ersten Abschnitt beabstandet ist, der sich dem Laufbahnabschnitt axial anschließt und der ein erstes Ende des Innenrings im Zusammenwirken mit der Lenkspindel an der zweiten Stelle aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Lenkungslager für eine derartige Lenksäule.

Hintergrund der Erfindung

Lenkungslager werden in verschiedenen Ausführungen eingesetzt. Häufig ist die Lenkspindel zumindest im oberen Teil der Lenksäule mitteis zwei gegeneinander angestellten und vorgespannten Schrägkugellagern gelagert. Die Schrägkugellager weisen Lagerringe aus Blech auf, die kalt geformt sind.

Der Außenring wird in der Regel direkt in das Lenkrohr eingepresst. Bei größeren Toleranzen des Lenkrohrs kann dieser auch mittels eines Toleranzringes im Rohr sitzen. In beiden Fällen sind in der Regel die axialen Positionen der Außenringe durch einen Axialanschlag festgelegt. In der Regel sind die Axialanschläge jeweils durch das Ende des Mantelrohrs gebildet. Die Stellen, an denen der Innenring des jeweiligen Lenkungslagers auf der Oberfläche der Lenkspindel abgestützt ist, sind durch die Position der Lenkspindel zum Mantelrohr und deren zulässige Abweichungen vorgegeben. Die Stelle sind aber auch von Form- und Abmessungstoleranzen der Lenkspindel, des Mantelrohrs und der Lenkungslager selbst und, bei Schrägkugellagern, auch durch deren elastische Einfederung bei der Montage beeinflusst.

Der Innenring eines ersten Lenkungslagers der Lenksäule ist axial auf der Lenkspindel fixiert. Der Innenring eines axial gegenüberliegenden zweiten Lenkungslagers wird mittels Federkraft eines oder mehrerer auf einen Klemmring wirkender Federelemente gegen die Kugeln des zweiten Lenkungslagers vorgespannt. So wird der Innenring mittels des Klemmringes radial zur Mittelachse der Lenkspindel zentriert und an der Lenkspindel festgestellt. Der Klemmring verkeilt sich dabei mit einer Kante radial zwischen dem Innenring und der Oberfläche der Lenkspindel. Die Vorspannung des Federelements wird mittels eines Sicherungselements gehalten, das gewöhnlich ein Zackenring ist. Der Zackenring verkrallt sich in der Oberfläche der Lenkspindel.

Lenkspindeln weisen, um kostengünstig herstellbar zu sein, relativ große Formund Abmessungstoleranzen der zylindrischen Außenkontur auf. Am Sitz auf der Lenkspindel können sich im Zusammenwirken mit dem Innenring durchaus Maßabweichungen von Nennaßen bis zu 2/10 mm oder mehr ergeben. Der Klemmring weist deshalb Toleranzen ausgleichende Funktionen eines Toleranzrings auf. Der Durchmesser des Innenrings am Lagersitz zur Lenkspindel ist aufgrund der Toleranzen so groß, dass sich Innenring und Klemmring auch bei ungünstiger Toleranzlage am Wellensitz des Innenrings nicht direkt berühren. Der Innenring ist am Wellensitz über den Klemmring an der Lenkspindel abgestützt.

Eine zuvor beschriebene Anordnung zeigt EP 0941 414 B1. Die darin beschriebene Lenksäule weist ein Schrägkugellager mit einem Klemmring aus Kunststoff, mit einem als Wellfeder ausgebildeten Federelement und mit einem als Zackenring ausgebildeten Sicherungsring auf. Derartige Anordnungen haben sich vielfach bewährt. Nachteilig wirkt sich jedoch hinsichtlich Lagerhaltung, Logistik und Montage die Vielzahl an Teilen auf, aus denen die Lenksäule zusammengesetzt ist. In der Vergangenheit wurden deshalb Versuche unternommen, die Vielzahl der Teile auf ein Minimum zu reduzieren.

DE 100 27 513 A1 zeigt eine derartige Anordnung mit einem Schrägkugellager, dessen Innenring einteilig mit dem Sicherungselement ausgebildet ist. Das Sicherungselement ist nach der Art eines Zackenrings mit mehreren am Umfang verteilten Lappen versehen, die jeweils eine zumeist scharfe Kante aufweisen. Die Kanten begrenzen im nicht montierten Zustand des Schrägkugellagers ein mit einer Kreislinie beschriebene zentrale Ausnehmung, deren Durchmesser etwas geringer als der der kleinste Außendurchmesser der Lenkspindel unter Berücksichtigung aller Toleranzen ist und diesen damit überdeckt. Die Lappen krallen sich aufgrund der Überdeckung beim Aufpressen des Innenrings auf die Lenkspindel mit den Kanten in die Oberfläche der Lenkspindel und halten den Innenring in Position. Dabei federn die elastisch nachgiebigen Lappen ein. Diese an gute Lösung kann sich unter Umständen nachteilig auf die Steifigkeit der Lageranordnung auswirken. Der Innenring kann bei Belastung der Lenkspindel über das Lenkrad entweder zu stark einfedern und die Lenkspindel dadurch sich zu sehr neigen, oder das Schwingungsverhalten der Lenksäule wird nachteilig beeinflusst.

In der in DE 10 2009 051 107 B3 beschriebenen gattungsbildenden Anordnung wird deshalb zusätzlich zum zuvor beschriebenen Sicherungselement ein Presssitz des Innenrings auf der Lenkspinde! vorgesehen. Der Innenring der in DE 10 2009 051 107 B3 beschriebenen Anordnung weist an einem Ende das Sicherungselement nach der Art eines Zackenrings und an dem anderen Ende einen Lagersitz auf. Durch die zweifache Abstützung ist die Anordnung steifer. Ein Laufbahnabschnitt für die Wälzkörper ist axial zwischen dem Sicherungselement und dem Lagersitz ausgebildet. Bei der Montage des Schrägkugellagers wird der Innenring mit dem Lagersitz auf die Lenkspindel aufgepresst, wobei sich die Lappen des Sicherungselements mit den Kanten an der Oberfläche der Lenkspindel verkrallen. Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lenksäule mit einem sicher funktionierenden sowie einfach herzustellenden Lenkungslager zu schaffen.

Diese Aufgabe ist mit dem Gegenstand der Erfindung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Lenksäule ist zumindest mit einem Mantelrohr, einer Lenkspindel und wenigstens einem oder zwei der erfindungsgemäßen Lenkungslager versehen. Die Lenkspindel ist mittels zwei Lenkungslagern in dem Mantelrohr gelagert. Das jeweilige Lenkungslager weist einen im Mantelrohr vorzugsweise festsitzenden Außenring, einen Innenring sowie zwischen einem Laufbahnabschnitt des Außenrings und einem Laufbahnabschnitt des Innenrings angeordnete Wälzkörper auf. Die Wälzkörper sind bevorzugt in einem Kugelkäfig gehaltene und/oder geführte Kugeln. Die Laufbahnabschnitte sind beispielsweise mit einer inneren bzw. äußeren Kugellaufbahn versehen.

Das oder die Lenkungslager sind Schrägkugellager. Der Fachmann versteht unter Schrägkugellagern die Lager, in denen die durch den Wälzkontakt der Kugeln mit der inneren Kugellaufbahn am Innenring und mit der äußeren Kugellaufbahn am Außenring sowie durch das Kugelzentrum verlaufenden Kontaktlinien um einen Kontaktwinkel zu einer Radialebene geneigt sind. Dabei liegen die Kugelzentren auf einer Umfangsbahn in der Radialebene. Der Kontaktwinkel α ist 90° > α > 0°, liegt vorzugsweise in einem Bereich 60° > G > 30°:

Der Innenring liegt an nur zwei Stellen, an jeder Stelle jeweils mit einem Abschnitt, an der Lenkspindel an. Die anderen Abschnitte des Innenrings sind radial nicht an der Lenkspindel abgestützt. Der Laufbahnabschnitt und mit diesem verbundene eventuelle Übergangs- oder Verbindungsabschnitte, begrenzen teils axial und radial einen hohlen Ringraum, der radial außen und beidseitig axial von dem Innenring und radial innen von der Lenkspindel umgeben ist. Der Innenring weist einen sich auf der einen Seite axial an den Laufbahnabschnitt anschließenden ersten Abschnitt auf, mit dem das Schrägkugellager an einer ersten Stelle der beiden Stellen an der Lenkspindel abgestützt ist. Der erste Abschnitt ist vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet. Alternativ kann der erste Abschnitt auch beliebige anders ausgebildete Querschnitte aufweisen, beispielsweise viereckig, ausgebildet sein, und diesbezüglich mit seiner Geometrie mit einem entsprechenden Querschnitt der Lenkspindel korrespondieren. Der erste Abschnitt ist nabenförmig für einen Presssitz auf der Lenkspindel ausgeführt, so dass dieser unter Vorspannung an einer Stelle der Lenkspindel anliegt. Der Innenring ist mittels des Presssitzes des ersten Abschnitts axial und radial an der Lenkspindel fixiert.

An der zweiten Stelle der beiden Stellen steht der Innenring über einen zweiten Abschnitt mit der Lenkspindel in Kontakt. Der zweite Abschnitt ist axial zu dem ersten Abschnitt beabstandet und schließt sich auf der anderen Seite axial dem Laufbahnabschnitt an. Der zweite Abschnitt ist beispielsweise durch einen Passsitz zwischen der Lenkspindel und dem Innenring oder wie an der ersten Stelle auch durch einen Presssitz gebildet. Vorzugsweise weist der zweite Abschnitt jedoch ein Sicherungselement nach der Art eines Zackenrings mit umfangsseitig zueinander benachbarte Lappen oder Zacken auf. Die Lappen oder Zacken sind umfangsseitig durch axiale Aussparungen voneinander getrennt, die sich in das erste Ende des Innenrings erstrecken. Der Innenring hört an einer Seite an dem ersten Ende auf. Jeder der Lappen bzw. Zacken weist wenigstens eine Kante auf, die zumindest teilweise in die Oberfläche der Lenkspindel verkrallt ist. Der Innenring ist mittels des zweiten Abschnittes axial auf der Lenkspindel fixiert.

Erfindungsgemäß schließt sich dem ersten Abschnitt axial ein einteilig mit dem ersten Abschnitt ausgebildeter dritter Abschnitt des Innenrings an. Der dritte Abschnitt ist, wenn der Innenring an den zwei zuvor beschriebenen Stellen auf der Lenkspindel sitzt, radial berührungsfrei zur Lenkspindel. Der erste Abschnitt verläuft axial zwischen dem Laufbahnabschnitt und dem dritten Abschnitt. Der dritte Abschnitt geht in ein den Innenring begrenzendes und zur Lenkspindel berührungsloses zweites Ende des Innenrings über. Der Innenring hört an der vom ersten Ende abgewandten Seite an dem zweiten Ende auf. Der dritte Abschnitt und das zweite Ende verlaufen, wenn der Innenring auf der Lenkspindel sitzt, umfangsgerichtet mit radialen Abständen zur Oberfläche der Lenkspindel um die Mittelachse der Lenkspindel.

Der Innenring sitzt, wie anfangs beschrieben, mittels des ersten Abschnitts mit Presssitz auf der Welle. Lenkspindeln weisen, wie schon erwähnt, relativ große Form- und Abmessungstoleranzen der zylindrischen Außenkontur auf. Der Presssitz des ersten Abschnitts ist deshalb schwierig zu verwirklichen. Die aus dem Presssitz resultierenden Spannungen in dem ersten Abschnitt können bei ungünstiger Toleranzlage, also bei hoher Überdeckung zwischen Innenring und ersten Abschnitt, sehr hoch werden. Bei Anordnungen des bisher bekannten Standes der Technik endet der erste Abschnitt unmittelbar und abrupt an dem zweiten Ende, das deshalb aufgrund der durch den Presssitz verursachten Spannungen im Material des dritten Abschnitts rissgefährdet ist.

Dem ersten unter Spannung stehenden Abschnitt schließt sich gemäß der Erfindung jedoch ein dritter Abschnitt an, der nicht unter Spannung steht, weil dieser berührungslos zur Lenkspindel ist. Die die aus dem Presssitz im ersten Abschnitt resultierenden Spannungen setzen sich zunächst über den ersten Abschnitt hinaus in dem dritten Abschnitt fort, da der erste und der dritte Abschnitt einteilig - einmaterialig miteinander ausgebildet sind. In dem dritten Abschnitt „verlaufen sich" die Spannungen, d.h. sie reduzieren sich dort bis in normale ertragbare Größenordnungen, so dass der dritte Abschnitt als Entlastungsabschnitt bezeichnet werden kann. Spannungsspitzen wie die im Innenring des im Kapitel„Hintergrund der Erfindung" beschriebenen Standes der Technik werden vermieden, da der Innenring nicht mehr abrupt am ersten Abschnitt endet, sondern in den Entlastungsabschnitt übergeht. Die Rissgefahr ist somit aufgehoben. Begleitet ist diese Maßnahme wahlweise durch die Wahl von zäherem Werkstoff zur Herstellung des Lagerrings oder durch geringere Oberflächenhärte von einsatzgehärteten Innenringen mit einer Oberflächenhärte von z.B. bis 500HV anstelle von 680 - 700 HV.

Der Laufbahnabschnitt und der erste Abschnitt, sowie der Laufbahnabschnitt und der zweite Abschnitt gehen entweder direkt ineinander über oder sind über Zwischenabschnitte miteinander verbunden. Der Innenring ist aus den einzelnen Abschnitten, erster Abschnitt, Laufbahnabschnitt, zweiter Abschnitt und dritter Abschnitt durch Fügen oder Formschluss zusammengesetzt, alternativ und bevorzugt jedoch einteilig - einmaterialig aus den Abschnitten gebildet.

Innenring und Außenring sind vorzugsweise Umformteile aus Blech oder Bandmaterial, beispielsweise aus dem Material C45, und weisen zumindest an der Oberfläche eine Härte von 470+ 100HV auf. Für die Herstellung des erfindungsgemäß gestalteten verlängerten Innenrings durch Kaltumformen, wie Ziehen, werden insgesamt nicht mehr oder nur unwesentlich mehr Halbzeuge verbraucht, als beim Ziehen des nach dem bisherigen Stand der Technik bekannten Innenrings, da ein Großteil des Abschnitts durch Abstrecken von Material der Ausgangsdicke auf geringere Wandstärke erzeugt werden kann.

Zum Abbau der Spannungen muss der dritte Abschnitt eine ausreichende axiale Ausdehnung aufweisen. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass der dritte Abschnitt axial wenigstens genauso breit ist, wie der erste Abschnitt axial breit ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindungen betreffen die geometrische Gestaltung bzw. Verhältnisse des Innenrings des Lenkungslagers:

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der dritte Abschnitt sich zu dem zweiten Ende hin trichterartig erweitert, wobei die Innenabmessungen des dritten Abschnitts zum zweiten Ende hin größer werden. Die Erweiterung kann als Zentrieröffnung beim Aufsetzen des Innenringes auf die Lenkspinde! als Einführfase genutzt werden.

Es ist vorgesehen, dass die kleinsten radialen Innenabmessungen des dritten Abschnittes größer sind als die größten radialen Innenabmessungen des ersten Abschnitts. Damit wird sicher Kontakt zwischen dem dritten Abschnitt und der Lenkspindel vermieden.

Weiter ist vorgesehen, dass die radialen Außenabmessungen des ersten Abschnitts größer sind als die des dritten Abschnittes zumindest da, wo sich der dritte Abschnitt axial an den ersten Abschnitt anschließt. Demnach ist die Wandstärke des ersten Abschnitts in radiale Richtungen dicker als die Wandstärke des dritten Abschnitts. Dies kann zur Bildung eines sicheren Presssitzens vorteilhaft sein.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Lenksäule 1 längs geschnitten im Halbschnitt oberhalb einer Mittelachse 3a und vereinfacht dargestellt. Figur 2 zeigt das Detail Z aus Figur 1 vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt.

Figuren 1 und 2: Die Lenksäule 1 ist mit einem Mantelrohr 2, einer Lenkspindel 3 und zwei der erfindungsgemäßen Lenkungslager 4 und 5 versehen. Die Lenkspindel 3 ist mittels der Lenkungslager 4 und 5 in dem Mantelrohr 2 gelagert. Jedes der Lenkungslager 4 oder 5 weist einen im Mantelrohr festsitzenden Außenring 6, einen Innenring 7 sowie zwischen einem Laufbahnabschnitt 6a des Außenrings 6 und einem Laufbahnabschnitt 7a des Innenrings 7 angeordnete Wälzkörper 8 in Form von Kugeln 8' auf. Die Kugeln 8' sind umfangsseitig um die Mittelachse 3a der Lenkspindel 3 gleichmäßig verteilt und sind in einem Kugelkäfig 9 gehalten und geführt. Die Laufbahnabschnitte 6a und 7a sind im Wesentlichen durch Kugellaufbahnen 6a' und 7a' gebildet.

Figur 1 : Die Lenkungslager 4 und 5 sind Schrägkugellager 4' bzw. 5'. Die durch den Wälzkontakt 8a der Kugeln 8' mit der inneren Kugellaufbahn 7a' am Innenring 7 und den Wälzkontakt 8b mit der äußeren Kugeüaufbahn 6a' am Außenring 6 sowie durch das jeweilige Kugelzentrum 8c verlaufenden Kontaktlinien 10 sind um einen Kontaktwinkel α zu einer Radialebene E geneigt, der a= 45° ist.

Der Innenring 7 liegt an nur zwei Stellen 1 1 und 12 an der Lenkspindel 3 an. Der andere Teil des Innenrings 7, insbesondere der Laufbahnabschnitt 7a ist radial nicht an der Lenkspindel 3 abgestützt, sondern ein hohler Ringraum 13, der radial außen und beidseitig axial von dem Innenring 7 und radial innen von der Lenkspindel 3 begrenzt ist. Der Innenring 7 weist einen sich auf der einen Seite axial an den Laufbahnabschnitt 7a anschließenden und einmaterialig mit diesem ausgebildeten ersten Abschnitt 7b auf, mit dem das jeweilige Schrägkugellager 4' bzw. 5' an einer ersten Stelle 1 1 der beiden Stellen 1 1 und 12 an der Lenkspindel 3 abgestützt ist. Der erste Abschnitt 7b ist hohlzylindrisch ausgebildet, und nabenförmig für einen Presssitz auf der Lenkspindel 3 ausgeführt, so dass dieser unter Vorspannung an der Stelle 1 an der Lenkspindel 3 anliegt.

Der Innenring 7 steht an der zweiten Stelle 12 über einen einmaterialig mit dem Laufbahnabschnitt 7a ausgebildeten zweiten Abschnitt 7c mit der Lenkspindel 3 im Kontakt. Der zweite Abschnitt 7c ist axial zu dem ersten Abschnitt 7b beabstandet und schließt sich auf der anderen Seite axial dem Laufbahnabschnitt 7a an.

Figur 2: Der zweite Abschnitt 7c weist ein Sicherungselement 17 nach der Art eines Zackenrings umfangsseitig zueinander benachbarte Lappen 14 auf. Die Lappen 14 sind umfangsseitig durch sich in das erste Ende 15 erstreckende axiale Aussparungen 15a voneinander getrennt. Jeder der Lappen 14 weist eine Kante 4a auf, die dazu vorgesehen ist, sich an der Stelle 12 zumindest teilweise in die Oberfläche der Lenkspindel 3 zu verkrallen.

Figuren 1 und 2: Erfindungsgemäß schließt sich dem ersten Abschnitt 7b axial ein einteilig mit dem ersten Abschnitt 7b ausgebildeter dritter Abschnitt 7d des Innenrings 7 an. Der dritte Abschnitt 7d ist radial berührungsfrei zur Lenkspindel 3 und geht axial in ein den Innenring 7 begrenzendes und zur Lenkspindel 3 berührungsloses zweites Ende 16 des Innenrings 7 über.

Figur 2: Der dritte Abschnitt 7d und das zweite Ende 16 verlaufen umfangsgerichtet um die Mittelachse 3a mit axial unendlich vielen nebeneinander liegenden radialen Abständen s, s', s", s'" .... zum Radius der Lenkspindel 3 bzw. zum Innenradius R des ersten Abschnitts 7b .

Der dritte Abschnitt 7d erweitert sich zu dem zweiten Ende hin trichterartig, so dass dieser ein hohlkegelartiges Gebilde ergibt. Die Innenabmessungen r', r" ... des dritten Abschnitts 7d werden zum zweiten Ende 16 hin größer. Die Erweiterung kann als Zentrieröffnung beim Aufsetzen des Innenringes auf die Lenkspindel als Einführfase genutzt werden. Die kleinsten radialen Innenabmessungen r des dritten Abschnittes 7d sind größer sind als der größte Innenradius R ersten Abschnitts 7b.

Weiter ist vorgesehen, dass die radialen Außenabmessungen Ra des ersten Abschnitts 7b größer sind als die Außenabmessungen des dritten Abschnittes 7d und zwar da, wo sich der dritte Abschnitt 7d axial an den ersten Abschnitt 7b anschließt. Demnach ist die Wandstärke B des ersten Abschnitts 7b in radiale Richtungen dicker als die Wandstärken b, b' .... des dritten Abschnitts 7d.

Die axiale Breite A ₃ des dritten Abschnitts 7d ist größer als die Breite A-i des ersten Abschnitts 7b.