LenksäulenlagerWälzlager und Komponenten

für Kfz-Fahrwerke

Automobil Produkt Information API 04

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Diese Druckschrift wurde mit großer Sorgfalt erstellt und alle Angaben auf ihre Richtigkeit hin überprüft. Für etwaige fehlerhafte oder unvollständige Angaben kann jedoch keine Haftung übernommen werden.

Produktabbildungen dienen nur zur Veranschaulichung und sind nicht zur Gestaltung der Lagerung zu verwenden. Konstruktionen nur nach technischen Angaben, Maßtabellen und Maßzeichnungen in dieser Ausgabe gestalten.Durch die ständige Weiterentwicklung der Produkte sind Änderungen im Produktprogramm und der Produktausführung vorbehalten!

Für Lieferungen und sonstige Leistungen im kaufmännischen Geschäftsverkehr gelten die Verkaufs- und Lieferbedingungen, die in der jeweils gültigen Preisliste und auf den Auftragsbestätigungen aufgeführt sind.

Herausgeber:INA Wälzlager Schaeffler oHG91072 HerzogenaurachHausadresse:Industriestraße 1–391074 Herzogenaurachwww.ina.com© by INA · 2000, JuniAlle Rechte vorbehalten.Nachdruck, auch auszugsweise,ohne unsere Genehmigung nicht gestattet.Druck: Mandelkow GmbH, 91074 HerzogenaurachPrinted in Germany

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Seite

4 Entwicklungsziele4 Einsatzbereiche der Wälzlager

5 Lenkanlage5 Anforderungen an die Lenkanlage

6 Lenksäule7 Bauformen der Lenksäule

8 Anforderungen an Lenkungslager8 Sicherheitsprüfungen

10 Anordnung der Lager10 Lagerbauformen10 Anordnung Schrägkugellager/Schrägkugellager11 Klemmringe12 Schrägkugellager SKL13 Anordnung Nadellager/Nadellager14 Nadellager LEN15 Anordnung Vierpunkt-Kugellager/Vierpunkt-Kugellager16 Vierpunkt-Kugellager KLX17 Anordnung Vierpunkt-Kugellager/Nadellager

18 Steifigkeit18 Anordnung Schrägkugellager SKL/SKL19 Anordnung Nadellager LEN/LEN20 Anordnung Vierpunkt-Kugellager KLX/KLX21 Anordnung Vierpunkt-Kugellager KLX/Nadellager LEN22 Vergleich der Steifigkeitswerte

23 Reibung

25 Prüfverfahren26 Reibungsmoment am Vierpunkt-Kugellager KLX27 Reibungsmoment27 Lebensdauer28 Bruchlast29 Geräusch

30 Einbaumaße30 Gestaltung der Lagersitzflächen

33 Schema zur Auswahl der Lager

34 Adressen

Inhaltsverzeichnis

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EntwicklungszieleEinsatzbereiche der Wälzlager

Ziele zur Weiterentwicklung bzw. Optimierung der Kfz-Fahr-werke sind im wesentlichen:� die Verbesserung des Fahrkomforts durch

– geringere Schwingungen– einfachere Handhabung der bedienrelevanten Bauteile– besserer Lenkkomfort

� die Verbesserung der aktiven Sicherheit durch Maßnahmen zur Vermeidung von Unfällen(siehe Allgemeine Anforderungen, Seite 5)

� die Verbesserung der passiven Sicherheit durch Maß-nahmen zur Verringerung der Unfallfolgen wie z.B. durch– Sicherheitslenksäulen, verformbare und energie-

aufnehmende Lenkräder.Beachtliche Fortschritte wurden hierzu durch die Fein-abstimmung der Achskinematik und Federung erreicht – z.B. mit der Raumlenker- und Integralachse.

Die Zukunft gehört den „intelligenten Fahrwerken“, die sich selbständig automatisch regeln bzw. den jeweiligen Fahr-bedingungen anpassen. Die Fahrwerkregelung betrifft dabei nicht nur die Einzelkomponenten Federung und Dämpfung, sondern auch die miteinander verknüpften Bereiche� Antrieb und Bremse� Fahrkomfort und Fahrsicherheit� Lenkstabilität/Kurshaltung.Aktuelle Fahrwerkregelsysteme wie ABS/ASR oder ETC verbessern den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit zwar schon erheblich. Die weitere Entwicklung wird jedoch verstärkt elektronische Bauteile einsetzen und so die hydraulischen Aggregate schrittweise ablösen.Durch die zunehmende Funktionalität der Gesamtbauteile steigt auch die Bedeutung der Wälzlager. Ihre wichtigsten Einsatzgebiete in den Fahrwerkkomponenten sind:� die Lenksäule� das Lenkgetriebe� die Radaufhängung und die Federbeine� die Bremsanlage – ohne und mit ABS.

Bild 1 · Fahrwerk mit Lenkung

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LenkanlageAnforderungen an die Lenkanlage

Die Lenkanlage muß – Bild 2:� den Lenkradwinkel in eindeutiger Zuordnung in den

Lenkwinkel der Räder umsetzen� die Informationen über den Bewegungszustand des

Fahrzeugs durch das Lenkrad an den Fahrer melden.

Anforderungen an die SicherheitIst ein Lenkungsbauteil fehlerhaft oder fällt dieses während des Betriebs aus, wird die Funktion des Lenksystems beeinflusst. Durch die eingeschränkte Lenkbarkeit können folgenschwere Unfälle auftreten.Um Personen- und Sachschäden zu vermeiden, muss die Lenkanlage höchste Sicherheitsstandards erfüllen. Damit erhält die Funktionssicherheit für alle Teile und Komponenten der Lenkung eine zentrale Bedeutung.

Anforderungen an die WirtschaftlichkeitDie Wirtschaftlichkeit der Konstruktion und Fertigung bestimmt die Wettbewerbsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs wesentlich mit. Lenkanlagen müssen deshalb u.a.:� nur mit wenigen Teilen und Komponenten auskommen� einfach zu fertigen und zu montieren sein� nur einen geringen Bauraum beanspruchen� während der Lebensdauer des Fahrzeugs wartungsfrei sein.

Anforderungen an die FahrtechnikFahrtechnische Anforderungen werden durch die Fahrphysik und die Lenkkinematik beeinflusst und durch die Komfort-wünsche des Fahrers bestimmt. Dazu muss die Lenkanlage:� leichtgängig sein, mit günstigem Wirkungsgrad bedient

werden können und mit einem geringen Energieaufwand auskommen

� ein ausreichendes, nicht zu hohes Lenkmoment haben und einen selbständigen Rücklauf gewährleisten

� auftretende Unruhen durch Bodenunebenheiten und Radschwingungen dämpfen

� die Richtungsstabilität und ein harmonisches Anlenk-verhalten sicherstellen.

Bild 2 · Federbein-Vorderachse mit Sicherheitslenksäule

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Lenksäule

Die Lenksäule besteht im wesentlichen aus – Bild 3:� dem mit der Karosserie verschraubten Mantelrohr� der Lenkspindel.Die Lenkspindel verbindet das Lenkrad mit dem Lenkgetriebe und ist im Mantelrohr gelagert. Sie sorgt für die Übertragung des Lenkmoments.Lenksäulen müssen folgende Anforderungen erfüllen:� eine hohe Drehsteifigkeit der Lenkspindel sicherstellen� Lenkunruhen vermeiden� Geräusche dämpfen� Personenschäden bei Unfällen vermeiden/reduzieren� nur geringe Reibungsverluste aufweisen� die Diebstahlsicherheit des Fahrzeugs gewährleisten.

Bild 3 · Lenksäule – Mantelrohr, Lenkspindel, Lenkgetriebe

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Bauformen der Lenksäule

Für Lenksäulen werden im wesentlichen die folgenden Konstruktionsprinzipien angewandt.

Starre Lenksäule – Bild 4Die klassische Ausführung ist eine starre Lenksäule. Das Lenkrad ist hier mit der Lenkspindel starr verbunden, die Lenkspindel besteht in der Regel aus einem Stück.

Winkelverstellbare Lenksäule – Bild 5Bei dieser Bauform kann die Neigung des Lenkrads verstellt werden. Der Kippunkt liegt in der Regel am Gelenk.

Längenverstellbare LenksäuleBei der längenverstellbaren Lenksäule ist das Lenkrad teleskopisch verschiebbar. Dadurch wird die Position des Lenkrads zum Fahrer in axialer Richtung veränderbar.

Kombinierter Verstellmechanismus – Bild 6Sowohl die winkel- als auch die längenverstellbare Lenksäule sind Kompromisslösungen. Die günstigste Stellung des Lenk-rads zum Fahrer wird durch die Kombination Winkel-/Längen-verstellung erreicht.

Bild 4 · Starre Lenksäule

Bild 5 · Winkelverstellbare Lenksäule

Bild 6 · Längenverstellbare Lenksäule

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Anforderungen an LenkungslagerSicherheitsprüfungen

Die in der Lenksäule eingesetzten Lager müssen folgende Anforderungen erfüllen:� die Lenkspindel spielfrei abstützen� wirksam Geräusche und Schwingungen dämpfen� eine hohe Steifigkeit aufweisen� möglichst reibungsarm sein.

Body-Block-Test – Bild 7Gesetzliche Vorgaben schreiben vor:� den maximalen Verschiebeweg des oberen Endes

der Lenksäule in den Fahrgastraum� die Aufprallkraft eines Prüfkörpers auf das Lenkrad.

Prüfbedingungen:� Verschiebeweg von 127 mm bei Frontalaufprall und

der Geschwindigkeit von 48,3 km/h� die Aufprallkraft von max. Kraft 11000 N;

Aufprall bei 24,1 km/h.

Die Aufprallkraft auf 11000 N wird begrenzt durch:� die Gestaltung der Lenkrohre (z.B. Wellrohr)� den Einsatz von Federelementen oder ähnlichen Energie-

aufnehmern.Die Lenkspindellager müssen so gestaltet sein, dass sie unter den definierten Prüfbedingungen die auftretende Last aufnehmen. Zulässig sind nur Eindrückungen der Wälzkörper in den Laufbahnen und leichte Verformungen der Lagereinzelteile. Die Lenkspindel muß noch drehbar sein.

Diebstahl-Test – Bild 8Der Diebstahl-Test ergibt:� die Sicherheitsgrenzen der Lenkschloss-Verriegelung.Dazu wird am Lenkrad ein Drehmoment bis 240 Nm auf-gebracht. Dieses Drehmoment bewirkt über die Umfangskraft am Sperrbolzen hohe resultierende Radialkräfte am oberen und unteren Lager. Dabei wird das lenkradseitige – obere – Lager höher belastet.Die Lager müssen eine hohe statische Tragsicherheit haben. Eindrückungen der Kugeln in den Laufbahnen sind zwar zulässig, Risse oder Brüche der Lagerbauteile dürfen jedoch nicht auftreten. Das Fahrzeug muss ohne Einschränkung lenkbar bleiben. Auswirkungen der Eindrückungen sind nur auf das Lenk-Komfortverhalten erlaubt.

Bild 7 · Body-Block-Test

Bild 8 · Diebstahl-Test

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9

Shake-Test – Bild 9Dieser Test beschreibt:� die Belastung der Lager bei der Verkippung des Lenkrads

durch Zug-/Druckbewegung.Der Fahrer stützt sich hier mit seinem Körpergewicht am Lenkrad ab. Dabei entsteht ein Biegemoment mit hohen Reaktionskräften an den Lagern. Die Kraft am oberen Lager liegt zwischen 1000 N und 1 500 N.An den Lagern dürfen unter diesen Lastbedingungen keine Eindrückungen oder Verformungen auftreten.

Weitere Tests� Steifigkeit� Reibungsmoment� Schwenkfestigkeit� Lebensdauer� Schwingung� Geräusch.Die Anforderungen an die Lagerungen und Hinweise zur Gestaltung sind in den entsprechenden Kapiteln beschrieben.

Bild 9 · Shake-Test

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Anordnung der LagerLagerbauformen

Anordnung Schrägkugellager/Schrägkugellager – Bild 10Diese Lageranordnung ist eine bewährte Lösung. Sie hat sich bei vielen Kfz-Herstellern durchgesetzt, da sie:� nur ein geringes Reibungsmoment hat� eine relativ hohe Steifigkeit aufweist� einfach montiert werden kann� kostengünstig ist.Die Lager sind durch zylindrische Schraubendruckfedern (Variante I, ) oder Wellfedern (Variante II, ) spielfrei vorgespannt. Ausführung und Befestigung der Federn hängen von der Lagerumgebung ab.

Die Federkraft bestimmt neben der Steifigkeit der Lagerung auch das Reibungsmoment und z.T. die Reibungsmoment-schwankungen. Werden die Federn deshalb auf Block vor-gespannt, entstehen sehr hohe Axialkräfte. Diese Kräfte müssen die Lager aufnehmen. Obwohl die spanlos geformten und einsatzgehärteten Kugellager eine sehr hohe statische Tragsicherheit haben, müssen die Kräfte so limitiert werden, dass keine Laufbahnbeschädigungen – z.B. Kugeleindrückungen – auftreten.

Bild 10 · Anordnung Schrägkugellager/Schrägkugellager

1 1

Variante I

Variante II

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1

2

2

1

Z

Z

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Klemmringe – Bild 11Zur Montage der Lager ist ein Schiebesitz auf der Welle erforderlich. Deshalb werden zwischen Lager und Welle Klemmringe eingesetzt. Diese Ringe zentrieren die Welle im Lager und stellen durch die Federvorspannung einen Reib-schluss her.Klemmringe werden in drei Bauformen gefertigt:� Massivringe aus Tiefziehstahl

– diese Ringe benötigen eine hohe Vorspannkraft; sie werden überwiegend in Lkws eingesetzt

� gewickelte Ringe aus dünnwandigem Stahlband � Kunststoffringe – TN-Klemmringe .Die Varianten und werden bevorzugt in Pkws verwendet.Bei der Fertigung der Stahlklemmringe entsteht die stumpfe Keilspitze „s“. Der Spalt zwischen der Welle und dem Lager-innenring muss zur Gewährleistung der Zentrierung der Welle größer als das Maß „s“ sein.

Bild 11 · Klemmringe

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2

3

2 3

Z1

Z

R

Z

s

s

Z

Z

2

3

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Anordnung der Lager

Schrägkugellager SKL – Bild 12Schrägkugellager SKL sind spanlos hergestellt, die Bauformen nach der Führung der Wälzkörper gegliedert – vollkugelig oder käfiggeführt.

Vollkugelige SchrägkugellagerDer vollrollige Kugelsatz ergibt Wälzverhältnisse mit größeren Reibungsmomentschwankungen. Für Lenkungen mit hohen Komfortansprüchen ist diese Bauform deshalb nicht geeignet.

Käfiggeführte SchrägkugellagerKäfige halten die Wälzkörper in Abstand voneinander, führen diese und verringern dadurch die Reibung.Zur Verbesserung des Lenkkomforts können die Laufbahnen gehont werden.

Varianten der SchrägkugellagerINA fertigt Schrägkugellager SKL:� in der Grundausführung � mit integrierten Dichtungen

– diese schützen vor Verschmutzung der Lager� mit integrierten Toleranzringen , ,

– sie dämpfen Geräusche und Schwingungen und überbrücken größere Toleranzen

� mit integrierter Feder – sie vereinfacht die Montage der Lenksäule.

Bild 12 · Schrägkugellager SKL – Auswahl

5

4

1 2 3

2

1

3 4

5

2

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Anordnung Nadellager/Nadellager – Bild 13Bei starren und winkelverstellbaren Lenkungen kann die Lenkspindel axial im Lenkgetriebe fixiert werden. Hier werden deshalb häufig Nadellager der Bauform LEN eingesetzt.Diese Lager:� haben keinen Innenring – die Nadelrollen laufen direkt auf der

Lenkspindel� stützen die Lenkspindel spielfrei ab� dämpfen Geräusche und Schwingungen� gleichen Toleranzen der Anschlußkonstruktion aus –

Lenkspindel und Mantelrohr sind in der Regel kaltgeformt, nicht nachbearbeitet und deshalb kostengünstig

� sind reibungsarm� sind einfach zu montieren.

VorspannungDer Gummi-Toleranzring übernimmt die Vorspannung der Nadellager. Werden die Lager in das Mantelrohr eingepresst, spannen sich der geschlitzte Außenring und die Wälzkörper durch den Toleranzring definiert vor.Die Vorspannung ist so festgelegt, dass� eine ausreichende Steifigkeit entsteht� die Verschiebekraft für die Welle jedoch nicht zu hoch wird.Eine limitierte Verschiebekraft ist besonders wichtig, wenn die Position der Lenkspindel während der Montage im Fahrzeug korrigiert werden muss.

Bild 13 · Anordnung Nadellager/Nadellager

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1

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Anordnung der Lager

Nadellager LEN – Bild 14Ein Lager dieser Baureihe besteht aus:� einem Gummi-Toleranzring� einem geschlitzten Außenring� einem Nadelkranz – Käfig mit Wälzkörpern� einer Anlaufscheibe.Die NBR-Härte der Gummi-Toleranzringe beträgt 65 Shore A bis 80 Shore A – angepasst an die geforderte Steifigkeit.Die genau spezifizierte Gummimischung und die daraus abgeleiteten, technischen Lieferbedingungen sichern die gleichbleibende NBR-Qualität über die Lebensdauer der Lager. Das Komfortverhalten der Lenkung ist damit während der gesamten Gebrauchsdauer gleich.Der geschlitzte Außenring und der Wälzkörpersatz sind aufeinander abgestimmt. Deshalb treten bei Belastung keine Verformungen bzw. Beschädigungen an den Laufbahnen auf. Der Schlitz ist schräg zur Wälzkörperachse angeordnet und in der Mitte abgesetzt. Dadurch überrollen die Wälzkörper den geschlitzten Abschnitt ohne Beeinträchtigung.

Varianten der NadellagerINA fertigt Nadellager LEN mit:� ein- oder zweilippiger Dichtung

– damit die Lager vor Verschmutzung geschützt sind� glatten oder verzahnten Toleranzring.Sollen Fluchtungsfehler ausgeglichen werden – max. Wellen-verkippung �3º –, stimmt INA Abmessung und Härte des Toleranzrings aufeinander ab. Dadurch bleibt die Dichtlippe bei der Verkippung auf der Lauffläche fixiert. Das ist besonders wichtig bei kippbarer Lenkung, da hier kein zusätzliches Einstellelement mehr notwendig ist.

Bild 14 · Nadellager LEN – Auswahl

1 2

1

2

2 1

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Anordnung Vierpunkt-Kugellager/Vierpunkt-KugellagerDurch den zunehmenden Wunsch nach komfortableren Lenkungen mit teleskopischer Längenverstellung gewinnt die Lageranordnung mit Vierpunkt-Kugellagern an Bedeutung.Diese Lenkungen bestehen aus zwei ineinander verschieb-baren Lenkwellen. Jede Welle wird mit einem Festlager KLX axial und radial abgestützt. Als dritte Lagerstelle dient die Führung in der Verschiebestrecke – in der Regel eine Kunst-stoff-Stahl-/Gleitpaarung.Die Festlager müssen:� spielfrei, steif und reibungsarm sein� Gehäuse- und Wellentoleranzen ausgleichen.Um Kosten zu verringern, wird die Funktionalität der Lager durch konstruktive Verbesserungen gesteigert.

Einbaubeispiel – Bild 15Das obere Festlager – am Lenkrad� fixiert die Welle axial und radial spielfrei� gleicht durch die integrierte Feder und den Abstandsring die

Längentoleranzen in der Lenksäule aus� dient als Montagehilfe durch die Haltenasen am

Toleranzring – sichert die Welle beim Zwischentransport.Der Toleranzring des unteren Festlagers greift mit den Schnappkrallen in den Einstich der Welle und fixiert sie axial.Spielfrei wird die Lagerung durch die Federelemente im Lager. Diese setzen die Außenringe der Lager und den Kugelsatz unter Vorspannung.

Bild 15 · Anordnung Vierpunkt-Kugellager/Vierpunkt-Kugellager

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2

2

2

3

1

1

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Anordnung der Lager

Vierpunkt-Kugellager KLX – Bild 16Das Ausgangslager war ein einfaches, nicht federvorgespann-tes Vierpunktlager. Forderungen nach mehr Komfort und höherer Funktionalität führten zu den Bauformen:� spielfreies Vierpunktlager KLX mit Wellfeder � spielfreies Vierpunktlager KLX mit 2 Gummielementen � spielfreies Vierpunktlager KLX mit einem Gummielement .Bezogen auf die Herstellkosten und die Funktion ist die Bauform die günstigste Lösung, da:� alle Lagerringe spanlos gefertigt sind� nur ein Gummielement notwendig ist� die Außenhülse gleichzeitig als Außenring verwendet wird� der Innenring eine Versteifung hat – für Presssitz mit

definierter Abpresskraft.Der Werkzeugaufwand ist allerdings hoch. Die Serienfertigung muss deshalb durch wirtschaftliche Stückzahlen gerechtfertigt sein.Spielfreie Vierpunktlager sind steif und haben eine definierte Reibung. Da sich beide Werte jedoch gegenseitig beeinflussen, muss die Gestaltung der Lagerung und die Fertigung der Lager sorgfältig aufeinander abgestimmt werden (siehe Kapitel Steifigkeit und Reibung).Vierpunktlager KLX sind Festlager. Sie müssen – auch beim Fahrzeug-Crash – die auftretenden axialen Kräfte aufnehmen. Besonders wichtig ist deshalb:� die statische Tragsicherheit� die Festigkeit der Lagerkomponenten.

Bild 16 · Vierpunktlager KLX – Auswahl

3

4

5

5

1

1

3 4 5

2

2

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17

Anordnung Vierpunkt-Kugellager/NadellagerEinbaubeispiel – Bild 17Die Kombination Vierpunkt-Kugellager KLX /Nadellager LEN wird häufig bei starren und winkelverstell-baren Lenksäulen eingesetzt, wenn� die Lenkwelle axial nicht im Lenkgetriebe fixiert werden kann� die Fixierung technisch nicht sinnvoll ist.

Diese Kombination ist wesentlich steifer als z.B. die Anordnung Nadellager LEN/Nadellager LEN. Die höhere Steifigkeit wird durch das Vierpunkt-Kugellager und seine Positionierung am Punkt mit der höchsten Krafteinwirkung – dem Lenkrad – erreicht.

Bild 17 · Anordnung Vierpunkt-Kugellager/Nadellager

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2

2

2

1

1

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Steifigkeit

Mit den zunehmenden Ansprüchen an Fahrkomfort und passive Sicherheit steigen auch die Anforderungen an die Steifigkeit der Lenksäule – der Airbag erhöht z.B. deutlich das Gewicht des Lenkrads.Damit Lenkrad-Einfederungen unter Last oder Schwingungen durch Fahrbahnunebenheiten nicht an den Fahrer weitergeleitet werden, muss die Lagerung der Lenkspindel entsprechend steif gestaltet sein.Die Steifigkeitswerte der folgenden Lageranordnungen sind Orientierungshilfen. Sie wurden empirisch bzw. rechnerisch ermittelt.

Anordnung Schrägkugellager SKL/SKL – Bild 18Die Steifigkeit hängt im wesentlichen ab von:� der Federvorspannung� dem Druckwinkel der Lager� der Steifigkeit der Spindel (Bild mitte).Das untere Bild zeigt die Steifigkeit der Lagerung als radiale Auslenkung der gelagerten Lenkspindel:� an der oberen Lagerstelle� am Belastungspunkt „F“.

Bild 18 · Anordnung Schrägkugellager SKL/SKL

X

Y

Z

0

0,20

0,40

0,60

0,20

0 52 104 156 208 260 300mm

mmXYXZ

Auslenkung in der XY-EbeneAuslenkung in der XZ-Ebene

Auslenkung der Welle

X-Abstand

Bel

astu

ngsp

unkt

Schrägkugellager SKLRadiale Auslenkung

F (N

)

700

600

500

400

300

200

100

Federvorspannung 400 NFedervorspannung 400 N

Auslenkung an deroberen Lagerstelle

Auslenkung amBelastungspunkt F“

0,2 0,15 0,1 0,05 0,1 0,3 0,5 0,7mm mm

� � � �=30º =45º=45º =30º

F“

ll 12

”

”

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19

Anordnung Nadellager LEN/LEN – Bild 19Bei dieser Anordnung ist die Steifigkeit geringer.Die Auslenkung der Spindel hängt im wesentlichen ab von:� der Härte des Gummi-Toleranzrings� der Kraft F.Das Bild zeigt die Auslenkung:� am oberen Lager� am Belastungspunkt „F“.

Bild 19 · Anordnung LEN/LEN

X

Y

Z

F”

ll 12

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 50,51,01,52,02,5mm mm

Kraft [N]

Auslenkung an deroberen Lagerstelle

Auslenkung amBelastungspunkt F“

Härte

Härte

Härte

Härte

80 Shore A80 Shore A

60 Shore A 60 Shore A

”

“

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20

Steifigkeit

Anordnung Vierpunkt-Kugellager KLX/KLX – Bild 20Eine höhere Steifigkeit wird mit spielfreien bzw. vorgespannten Vierpunkt-Kugellagern erreicht.Durch die definierte Vorspannung werden relativ hohe Steifigkeitswerte erreicht – sie entsprechen etwa den Werten der Kombination SKL/SKL.Das Bild zeigt die Auslenkung:� am oberen Lager� am Belastungspunkt „F“.

Bild 20 · Anordnung KLX/KLX

X

Y

Z

F“

ll 12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,050,10,150,20,25

700

600

500

400

300

200

100

mm mm

Kraft [N]

Auslenkung an deroberen Lagerstelle

Auslenkung amBelastungspunkt F“”

”

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Anordnung Vierpunkt-Kugellager KLX/Nadellager LEN – Bild 21Diese Kombination ist ein Kompromiss im Hinblick auf die zulässige Auslenkung der Spindel.Für die Gesamtsteifigkeit ist die Steifigkeit des oberen Lagers – am Lenkrad – maßgebend. Die Härte des Gummi-Toleranz-rings am unteren Lager ist nicht wesentlich.Das Bild zeigt die Auslenkung:� am oberen Lager� am Belastungspunkt „F“.

Bild 21 · Anordnung KLX/LEN

X

Y

Z

F“

ll 12

100

200

300

400

500

600

700

0 0,1 0,3 0,5 0,7 0,90,050,10,150,20,25mm mm

Kraft [N]

Auslenkung an deroberen Lagerstelle

Auslenkung amBelastungspunkt F“

Toleranzring

Toleranzring

Toleranzring

80 Shore A

80 Shore A

60 Shore A60 Shore A

”

”

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Steifigkeit

Vergleich der Steifigkeitswerte

Der Vergleich zeigt die Steifigkeitswerte am Belastungspunkt „F“ – Bild 22Ist eine hohe Steifigkeit notwendig, sollten eingesetzt werden:� die Kombination KLX/KLX oder� die Kombination SKL/SKL.

Lagergeometrie und Vorspannung müssen jedoch so abgestimmt sein, dass neben der hohen Steifigkeit auch günstige Reibungswerte erreicht werden.Die Anordnung LEN/LEN hat die geringste Steifigkeit. Kann hier die Steifigkeit des Toleranzrings nicht gravierend erhöht werden – z.B. durch einen Kunststoffring – wird sie wegen der schlechteren Werte durch günstigere Kombinationen ersetzt.

Bild 22 · Vergleich der Steifigkeitswerte am Belastungspunkt „F“

100

0

200

300

400

500

600

700

0,10 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

y am Belastungspunkt F“

N

mm

30º 45º 80

Gummi 80 Shore

Gummi 65 Shore

ShSh 65

F“

F

�

” F“”

F“”

”

F“”

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134

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Reibung

Neben der Steifigkeit ist die Reibung als physikalische Größe einer der wichtigsten Einflußfaktoren auf das Komfortverhalten bzw. die Qualität und Kundenakzeptanz der Lenkung.Die Reibung der Lenksäule setzt sich zusammen aus:� der Reibung in den Lenkwellenlagern� der Reibung in den Gelenken (Gelenklagern).

Der Reibungsanteil der Lenkwellen/Lenkspindellager beträgt ca. 70% bis 80%. Er hängt ab von:� der Qualität der Lagerlaufbahnen� der Qualität und Formgenauigkeit der Lagersitze� der Art der Lagerbauform, der Lagervorspannung und

der Zentrierung.Bild 23 zeigt den Einbau der Schrägkugellager SKL in eine Serien-Lenksäule mit den üblichen Formfehlern der Lagersitze.

Bild 23 · Reibungsmomente in einer Serien-Lenksäule – Vergleich vollkugeliges Lager/Lager mit Käfig

10

0

Ncm

t = 10 s/cm

10Ncm

0

t = 10 s/cm

n = 60 min–1

n = 60 min–1

Lager vollkugelig

Lager mit Käfig

Md

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26

Reibungsmoment am Vierpunkt-Kugellager KLX – Bild 26 und 27Bei federvorgespannten Vierpunkt-Kugellagern wird zur Qualitätssicherung das Reibungsmoment gemessen.Zur Messung und Aufzeichnung des Reibungsmoments und der Reibungsmomentschwankung hat INA spezifische Ver-fahren entwickelt sowie die Qualitätsnorm QN 4.65 geschaffen.Das Bild 27 zeigt den Aufbau des Messstands und einen typischen Reibungsmomentverlauf. Der Außenring ist durch eine Spannzange mit dem Sensor verbunden. Der Innenring wird mit einem Spannelement an den Antrieb gekoppelt. Dadurch gehen keine Axialkräfte in die Messung ein.Nach dem Einlaufen – ca. drei Umdrehungen – werden die Kennwerte für die folgenden drei Umdrehungen ermittelt.

Bild 26 · Vierpunkt-Kugellager KLX – Bauformen

Bild 27 · Messvorrichtung und Reibungsmomentverlauf

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Drehmoment-Messgerät

Drehmoment-Sensor

MDmax

MDmin

MDq

MD

1 Umdrehung

t

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27

Reibungsmoment – Beispiel mit Schrägkugellagern SKL Testbedingungen� Prüfvorrichtung nach Bild 28� Axiallast je Lager: 250 N� Drehzahl der Lager: 60 min–1.

Freigabekriterien� Reibungsmoment je Lager: max. 0,1 �0,03 Nm� keine störenden Abrollgeräusche.

Lebensdauer – Beispiel mit Schrägkugellagern SKL Testbedingungen� Prüfvorrichtung nach Bild 28� radiale und axiale Belastung: 250 N� Zahl der Umdrehungen: 100 000 min–1

� Drehzahl der Lager: 120 min–1.

Freigabekriterien� Reibungsmoment je Lager: max. 0,1 �0,03 Nm� Lager voll funktionsfähig: keine Kugeleindrückungen,

Risse oder Brüche zulässig.

Bild 28 · Prüfvorrichtung

F FFF

F F

Md

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137

28

Prüfverfahren

Bruchlast – Bild 29Testbedingungen� Prüfvorrichtung nach Bild 29� Axiallast: 4 500 N.

Die Last wird einmal aufgebracht und 3 Sekunden gehalten.

Freigabekriterien� Der Innenring darf sich nicht vom Lager lösen� keine Risse oder Brüche.

Bild 29 · Prüfvorrichtung

F

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29

GeräuschTestbedingungen� Messaufbau nach Bild 30.

Einflüsse auf die Geräuschbildung� die Qualität der Laufbahnen

– Rauheit– Formgenauigkeit

� die Form/der Aufbau der Lenksäule� die Steifigkeit der Lenksäule� die Position der Lager.

Die Laufbahnen für die Lager sind in der Regel spanlos hergestellt. Ihre Qualität kann nur durch schleifen oder honen verbessert werden.Bei besonderen Anforderungen an das Geräuschverhalten sind geräuschdämmende Maßnahmen für Lager/Lenkrohr und Lenkrohr/Karosserie notwendig.

Bild 30 · Aufbau zur Geräuschmessung

0

Lager 1

Lager 2

Lager 3

20 s

t

AntriebDrehmomentwelle

Messposition zur Geräuschmessung

Pos. 1 Pos. 3Pos. 2 Kupplungen

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EinbaumaßeGestaltung der Lagersitzflächen

Die Qualität der Lagersitzflächen beeinflusst das Reibungs-moment, die Steifigkeit und das Geräuschverhalten der Lenk-säule entscheidend.Die folgenden Beispiele zur Gestaltung der Lagersitzflächen sind Empfehlungen. Sie können nach Anforderung und Kosten-ziel modifiziert werden.

Vorgespanntes Schrägkugellager SKL – Bild 31� Gehäuse:

– Lager mit Presssitz im Gehäuse– Überdeckung Außenring/Gehäuse, Minimum 0,02 mm

� Welle:– Innenring mit Schiebesitz auf der Welle.

Bei Zentrierung mit Stahl-Toleranzring, Mindestspaltbreite 0,2 mm

� Federvorspannung:– für Pkw mindestens 300 N– für Lkw mindestens 500 N.

Die Formgenauigkeit der Lagersitzfläche soll innerhalb der angegebenen Durchmesser-Toleranz liegen, der Achsversatz möglichst gering sein.Bei der Auslegung müssen berücksichtigt werden:� die Ausführung der Lager� der Abstand der Lager voneinander� die Art der Klemm- und Toleranzringe� die Bauform der Feder und die Größe der Feder-

vorspannung.Durch diese Vielfalt der Faktoren sollte der jeweils maximal zulässige Wert für neu zu entwickelnde Lenksäulen durch Versuche ermittelt werden. Hierzu stellt INA ein umfangreiches Service-Angebot zur Verfügung.

Bild 31 · Gestaltung der Lagersitzflächen

Geh

äuse

Wel

le

0,05

± 0,05

±

134

154

31

Spielfreies Nadellager LEN – Bild 32Lager dieser Bauform erlauben relativ grobe Gehäuse- und Wellentoleranzen ohne Funktionsverlust.Die Wälzkörper wälzen sich hier direkt auf einer kaltverfestigten, ungehärteten Welle ab. Die Mindesthärte der Wälzkörper-laufbahn muss 200 HV betragen.Nasen oder Sicken fixieren die Lager in der Regel im Gehäuse.

Bild 32 · Gestaltung der Lagersitzflächen – Fixierung des Lagers durch Nasen im Gehäuse

Geh

äuse

±0,

1

h9Wel

le

134

155

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Einbaumaße

Gestaltung der Lagersitzflächen

Spielfreies Vierpunkt-Kugellager KLX – Bild 33Bei Lagern dieser Bauform hängt die Gestaltung der Lager-sitzflächen davon ab, ob:� ein definierter Presssitz im Gehäuse und auf der Welle mit

definierter Verschiebekraft zur Aufnahme von Axialkräften vorgesehen ist oder

� die Axialkräfte durch Sprengringe, Abstandsringe oder ähnliche Zusatzelemente aufgenommen werden.

Die Haltekräfte für den Innenring sind bei Lagern mit Presssitz sehr hoch – bis 3 000 N. Da die Welle jedoch aus Kosten-gründen oft kaltverformt ist – h9 –, ergeben sich aus den Toleranzfeldern große Überdeckungswerte.Um überhöhte Spannungen im Innenring zu vermeiden, muss dieser einen entsprechenden Querschnitt haben. Für eine höhere Zähigkeit sollten durchgehärtete Ringe stärker angelassen werden.

Bild 33 · Gestaltung der Lagersitzflächen – Presssitz auf der Welle

Wel

leh9

134

156

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Schema zur Auswahl der Lager

Die folgende Matrix ist eine Empfehlung. Sie vereinfacht die Auswahl der Lager und beinhaltet technisch-qualitative sowie wirtschaftliche Kriterien.Die Wertung basiert auf langjährige Erfahrungen und sicheren theoretischen Kenntnissen. Sie sagt jedoch nichts über die Gewichtung der einzelnen Faktoren und Kriterien aus. Eine Gesamtbewertung je Lagerbauart durch die reine Addition der einzelnen Punkte ist deshalb nicht aussagefähig genug.Der verantwortliche Konstrukteur muss grundsätzlich auf der Basis des Lastenhefts entscheiden:� welche Kriterien für die Gestaltung der Lagerung wichtig sind� welches Lagerungskonzept die Anforderungen am besten

erfüllt.Berücksichtigt sind nur die gängigsten Lagerbauformen für Lenksäulen und die wichtigsten Bewertungskritierien.

Bewertungsschlüssel:+++ = sehr gut++ = gut+ = mäßig– = schlecht.

Lageranordnung

SKL/SKL LEN/LEN KLX/LEN KLX/KLX LEN/KLX KLX/SKL

Kosten +++ +++ + – + +

Steifigkeit +++ – ++ +++ – +++

Reibungsmoment ++ +++ ++ +/– ++ ++

Geräuschdämpfung – +++ ++ ++ ++ +

Gebrauchsdauer +++ +++ +++ +++ +++ +++

Montage +/– +++ ++ +/– ++ +/–

Marktdurchdringung +++ ++ ++ +/– – –

Bewertungs-kriterien

Sac

h-N

r. 00

5-46

0-92

1/A

PI 0

4 D

-D 0

6001

.5

INA Wälzlager Schaeffler oHG91072 HerzogenaurachTelefon (0 9132) 82-0Telefax (0 9132) 82-49 50www.ina.com