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Die Erfindung betrifft einen Lenkungsmechanismus
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs.
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Diese Erfindung betrifft Zahnstangenlenkungsvorrichtungen,
die Zahnstangenstützen
mit Rollen anwenden. Bei Zahnstangenlenkgetrieben verläuft eine
Zahnstange quer zu deren Achse, wenn das Ritzel, welches Zähne aufweist,
die mit den Zähnen
der Zahnstange ineinandergreifen, durch die Lenkrad- und Lenksäulenanordnung
gedreht wird. Üblicherweise
spannt ein Stützjoch
die Zahnstange zu dem Ritzel hin vor, um das gewünschte Ineinandergreifen der
Zahnstangenzähne
mit den Ritzelzähnen
während
der Drehung des Ritzels aufrechtzuerhalten. Das Stützjoch wirkt
auch gegen Stoßbelastungen,
die von Unebenheiten in der Straße über die Fahrzeugräder, die
Aufhängung
und die Verbindungsstangen des Lenkungssystems auf die Zahnstange übertragen
werden.
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Bei leichten Fahrzeugen, wie Personenwagen,
ist die Zahnstange mit einer Jocheingriffsfläche in Eingriff, die in der
Form komplimentär
zu dem Querschnitt der Zahnstange ist. Die Reibung zwischen der
Eingriffsfläche
der Zahnstange und des Stützjochs
kann durch Aufbringen von reibungsarmen Flächenbeschichtungen auf die
Jocheingriffsfläche
reduziert werden. Die Minimierung von Reibung zwischen dem Stützjoch und
der Lenkungszahnstange ist ein wichtiger Faktor beim Erreichen eines
guten Lenkgefühls.
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Schwerere Fahrzeuge, wie normale
Lieferwagen und mittlere Nutzfahrzeuge, haben wegen ihrer größeren Masse
Belastungen der Übergangsfläche vom
Joch zur Zahnstange von bedeutenderer Größe als leichte Fahrzeuge, und
haben demzufolge höhere
damit verbundene Lenkreibungsbelastungen. Ein Mittel zum Reduzieren
der Reibungsbelastung zwischen der Zahnstange und der Jochstütze ist
es, eine Rolle innerhalb des Jochs für den Eingriff mit der Zahnstange
anzuordnen. Typischerweise hat die Rolle ein gekrümmtes Profil,
das in der Form komplimentär
zu der insgesamt zylindrischen Zahnstange ist. Die Rolle passt zwischen
zwei Wände
des Jochs und kann Druckscheiben aufweisen, die zwischen diesen
selbst und dem Joch angeordnet sind. Bekannte Joch- und Rollenanordnungen
sind jedoch einem geringen Maß an
Axialspiel oder Bewegung vor/nach unterworfen, da es die Aufsetztoleranzen der
montierten Komponenten extrem schwierig machen, ein Anpassung der
Teile Linie an Linie zu schaffen. Selbst ein geringes Maß von Axialspiel
ist unerwünscht,
da es von dem Fahrzeugbediener als eine ungewollte Vibration erkannt
werden kann, welche als ein Anzeichen von schlechter Qualität verstanden
werden kann. Während
Teile mit sehr engen Fertigungstoleranzen hergestellt und sorgfältig ausgewählt werden
können,
um Anordnungen mit geringem oder ohne Axialspiel zu schaffen, ist
das Beseitigen des Spiels durch Kontrolle der Abmessungen und Auswahl
der Teile kostenaufwendig. Eine Federbelastung zwischen jedem Ende
der Rolle und dem Stützjoch
kann zum Abpolstern verwendet werden, jedoch nicht zum Beseitigen
des gesamten Axialspiels.
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Die DE-A-2 913 641 offenbart einen
Lenkungsmechanismus mit einer Zahnstange, welche mit einer Anordnung
mit geteilter Rolle in Eingriff ist, um die Zahnstange mit einem
Ritzel in Eingriff zu halten.
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Der nächstliegende Stand der Technik
gemäß EP-A-O
367 119 beschreibt ein Lenkgetriebe für ein Motorfahrzeug, welches
ein federvorgespanntes Stützjoch
hat, das einen Rollenabschnitt aufweist, der mit einer Zahnstange
eines Zahnstangenlenkgetriebes in Eingriff ist.
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Es ist erwünscht, ein Lenkgetriebe mit
einer reibungsarmen Zahnstangenrollenstütze zu schaffen, welche das
Axialspiel der Rolle beseitigt, unempfindlich gegen leichte Veränderungen
in den Abmessungen der Rollen- und Jochkomponenten ist, und leicht
zu montieren ist.
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Gemäß der Erfindung wird dies durch
ein Lenkgetriebe gemäß den Merkmalen
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs erreicht.
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Ein Lenkgetriebe für ein Motorfahrzeug
weist ein Gehäuse,
eine Zahnstange, ein Ritzel, ein Stützjoch, eine Feder, eine geteilte
Rolle und eine Mehrzahl von Lagern auf. Die Zahnstange ist innerhalb des
Gehäuses
zur Querverschiebung darin entlang einer Achse gleitend abgestützt. Die
Zahnstange hat Zähne
an einer ersten Seite. Das Ritzel hat Zähne, die mit den Zähnen der
Zahnstange in antreibenden Eingriff sind. Das Ritzel ist innerhalb
des Gehäuses drehbar
abgestützt.
Die Drehung des Ritzels verschiebt die Zahnstange quer entlang der
Achse. Das Stützjoch
ist in dem Gehäuse
für die
Bewegung zu einer Seite der Zahnstange hin im wesentlichen gegenüberliegend
den Zähnen
der Zahnstange gleitend angeordnet. Das Stützjoch hat eine Öffnung,
welche zu der Zahnstange hin offen ist, wobei die Öffnung zwei einander
gegenüberliegende
Lagerdruckflächen oder
einfache Lagerflächen
definiert. Die Feder ist zwischen dem Gehäuse und dem Stützjoch angeordnet
und spannt das Stützjoch
zu der Zahnstange hin vor. Die geteilte Rolle weist einen ersten
geteilten Rollenabschnitt und einen zweiten geteilten Rollenabschnitt
auf. Der erste geteilte Rollenabschnitt ist in der Form im wesentlichen
konisch und hat eine proximal zu einer der Lagerflächen gelegene
Seite mit großem
Durchmesser. Der erste geteilte Rollenabschnitt ist an der einen
der Lagerflächen
drehbar angeordnet und axial zu dieser verschiebbar und greift tangential
in die Zahnstange ein. Der zweite geteilte Rollenabschnitt hat auch
eine im wesentlichen konische Form mit einer proximal zu einer anderen
der Lagerflächen
gelegenen Seite mit großem
Durchmesser. Der zweite geteilte Rollenabschnitt ist an der anderen
der Lagerflächen
drehbar angeordnet und axial zu dieser verschiebbar und greift tangential
in die Zahnstange ein. Reibungsarme Radiallager sind zwischen den
Passstiften und den Rollenabschnitten angeordnet. Reibungsarme Drucklager
sind axial zwischen den Rollenabschnitten und den Lagerflächen des
Stützjochs
angeordnet. Die Feder wirkt gegen das Stützjoch, um die Rollenabschnitte
gegen die Zahnstange zu pressen, was bewirkt, dass die Rollen voneinander
getrennt sind und dadurch ein Spalt dazwischen definiert wird und
die Scheiben gegen die Lagerflächen
des Stützjochs
gepresst sind.
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Ein Lenkgetriebe mit einer reibungsarmen Zahnstangenstütze ist
offenbart, die eine an einem Joch montierte geteilte Rolle aufweist,
was die Zahnstange mit reibungsarmer Stütze schafft und das Axialspiel
der Rolle beseitigt. Die geteilte Rolle wird leicht in die Zahnstangenstüzte montiert.
Durch Beseitigen des Axialspiels werden die mit der Vor/Nach-Bewegung der Zahnstange
verbundenen Vibrationen beseitigt. Die Empfindlichkeit der Zahnstangenstütze gegen
kleine Variationen in den Abmessungen des Jochs und der Rolle wird
ausgeschlossen.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Zahnstangenlenkgetriebes mit einer Stütze mit
geteilter Rolle.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Rolle, einer Hülse und einer Scheibe.
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3 ist
ein Detail der Stützanordnung
und der Zahnstange aus 1 mit
einer Hülse
und Scheibe als einstöckiges
Teil.
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4 ist
eine Endansicht der Stützanordnung
aus 3 in der Richtung
des Pfeils 4.
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5 ist
ein vergrößerter,
weggebrochener Abschnitt der Stützanordnung
und der Zahnstange aus 3.
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Ein beispielhaftes Zahnstangenlenkgetriebe 10 ist
im Schnitt in 1 gezeigt.
Ein Gehäuse 12 umschließt eine
Zahnstange 14 und ein Ritzel 16 und hilft diese
abzustützen.
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Das Ritzel 16 hat Zähne 17,
welche in Zahnstangenzähne 18 antreibend
eingreifen, die an der einen Seite der Zahnstange 14 angeordnet
sind. Das Ritzel 16 ist gezeigt, wie es an zwei Stellen
durch Kugellager 20 abgestützt ist, die innerhalb des
Gehäuses 12 montiert
sind. Es wird angemerkt, dass das Ritzel 16 nicht notwendigerweise
durch Kugellager abgestützt
werden muss, sondern stattdessen durch reibungsarme Buchsen abgestützt werden
könnte. Eine
Dichtungsanordnung 22 ist proximal zu einem Keilwellenende 23 des
Ritzels 16 angeordnet. Das Keilwellenende 22 ist
mit einem Lenkkrafthilfsmechanismus (nicht gezeigt) und/oder einer
Lenkrad- und Lenksäulenanordnung
(nicht gezeigt) antreibend verbunden.
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Eine Stützanordnung 24, die
am besten in 3 gezeigt
ist, greift in eine Seite der Zahnstange 14 ein, das dem
Ritzel 16 und den Zahnstangenzähnen 18 gegenüberliegt.
Eine vorgespannte Schraubendruckfeder 26 spannt die Stützanordnung 24 in den
Eingriff mit der Zahnstange 14 vor. Die Feder 26 wird
durch eine Kappe 28 zurückgehalten,
welche auf das Gehäuse 12 geschraubt
ist. Die Feder 26 wirkt über die Kappe 28 gegen
das Gehäuse 12.
Es gibt einen Spalt zwischen der Stützanordnung 24 und
dem Ende der Kappe 28.
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Die Stützanordnung 24 weist
ein Stützjoch 30,
welches in der Form im wesentlichen zylindrisch ist, einen quer
angeordneten Passstift 32, der innerhalb des Stützjochs 30 fixiert
ist, und eine geteilte Rolle 33 auf, die ein Paar im wesentlichen
konisch geformter geteilter Rollenabschnitte 34 aufweist,
die an dem Passstift 32 drehbar montiert sind. Der Passstift 32 ist
im Presssitz mit zumindest einer von axial ausgerichteten Bohrungen 35,
in welchen dieser angeordnet ist. Die Enden der Rollenabschnitte 34 mit großem Durchmesser
sind beide nach außen
hin oder distal zueinander angeordnet. Beide geteilte Rollenabschnitte 34 greifen
tangential in die Zahnstange 14 ein. Eine Hülse 36,
die aus drei Schichten aus reibungsarmen Material geformt ist, ist
innerhalb einer Bohrung 38 der Rolle 34 angeordnet.
Die Bohrung 38 ist zum Aufnehmen der Hülsen 36 bemessen,
wie am besten in 2 gezeigt
ist, in einer Presssitzrelation zur gleichmäßigen Drehung damit. Die Rollen 34 weisen
jeweils ein vorstehende Druckschulter 40, die zu dem Stützjoch 30 hin
angeordnet ist. Die Schulter 40 ist optional und wird hier
hauptsächlich
eingesetzt, um eine Form zu schaffen, die komplementär zu der
des Jochs 30 ist. Eine Scheibe 42, die auch aus
dem dreischichtigen reibungsarmen Material geformt ist, ist zwischen
der Schulter 40 und dem Joch 30 angeordnet. Die
Hülse 36 und
die Scheiben dienen als Radiallastlager bzw. Drucklastlager. Das
dreischichtige Material weist einen Stahlstreifen als eine erste
Schicht, eine gesinterte Bronzebeschichtung als eine zweite Schicht,
und eine Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) als eine dritte
Schicht auf. Ein solches Material ist wohlbekannt und ist aus einer
Anzahl von Quellen handelsüblich
verfügbar.
Die Hülsen
und Scheiben, die aus dem beschriebenen Material hergestellt sind,
sind von Oiles America Corporation, dem Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung,
lieferbar. Eine beispielhafte Hülse
ist Oiles No. LFB-0910. Ein beispielhaftes Scheibenmaterial ist
Oiles No. 800LF. Es wird angemerkt, dass andere Hülsen und
Scheiben verschiedener Größen und
Typen innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung verwendet
werden können.
Gleichwohl könnten
alternative reibungsarme Materialien eingesetzt werden, wie reibungsarmes
Plastik oder selbstschmierendes Plastik. In einer bevorzugten Ausführungsform,
wie in 3 und 4 gezeigt, sind Hülse 36 und
Scheibe 42 in einer angeflanschten Hülse 44 aus einem einzigen
Stück integriert,
die vorzugsweise aus demselben dreischichtigen reibungsarmen Material
geformt ist. Eine beispielhafte angeflanschte Hülse ist Oiles No. LFF-0910.
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Eine im wesentlichen rechteckige Öffnung oder
ein Durchgang 46 passiert das Stützjoch 30 in einer
Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Zahnstange 14 und
dem Passstift 32. Es wird angemerkt, dass die Form der Öffnung 46 variiert
werden kann. Zum Beispiel könnte
sie an nur 2 Seiten flach sein. Diese Öffnung 46, die ein
Durchgang ist, ist kein Merkmal, das für die Wirkungsweise der Erfindung kritisch
ist, jedoch erleichtert sie die Herstellung des Stützjochs 30.
Einander gegenüberliegende
Lagerkanäle 48 erstrecken
sich entlang einander gegenüberliegenden
Seiten des Durchgangs 46. In der offenbarten Ausführungsform
definieren die Lagerkanäle 48 ein
Paar einander gegenüberliegend
angeordneter Lagerflächen 50.
Das Vorsehen der Kanäle 48 ist
eine Gestaltungswahl bezogen auf die strukturelle Integrität des Stützjochs 30.
Die Erfindung würde
gleichgut ohne Schulter arbeiten.
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Die Verwendung von angeflanschten
Hülsen ist
besonders vorteilhaft dadurch, dass die Montage der Stützanordnung 24 erheblich
erleichtert wird. Wenn die Scheiben 42 verwendet werden,
erfordert die Montage der Stützanordnung 24 die
Ausrichtung von zwei Scheiben und zwei Rollenabschnitten, das Positionieren
der Scheibe 42 und der Rollenabschnitte 34 zwischen
den Lagerflächen
in Ausrichtung mit den Bohrungen 35, und die Aufrechterhaltung
der Ausrichtung während
des Einpressens des Stiftes 32 in die Bohrungen 35,
um die Scheiben 42 und die Rollenabschnitte 34 zu
erfassen. Spezielle Handhabungsprobleme werden auch durch die Scheiben präsentiert,
da sie relativ dünn
sind, was es schwieriger macht, diese in einer Ausrichtposition
zurückzuhalten
und zu manipulieren. Ferner sollten die Scheiben vorzugsweise genau
ausgerichtet sein, wobei die PTFE Beschichtung zu der Eingriffsfläche 50 hin ausgerichtet
ist. Diese Montagebetrachtungen werden mit der Verwendung einer
angeflanschten Hülse reduziert
oder ausgeschlossen. Die Anzahl von Teilen, welche ausgerichtet
werden müssen,
wird auf die Hälfte
beschränkt,
und Betrachtungen zur Handhabung und Orientierung der Scheiben werden
ausgeschlossen.
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Die Rollenabschnitte 34 sind
im wesentlichen innerhalb der Öffnung 46 angeordnet.
Der Passstift 32 erstreckt sich zwischen den Lagerflächen 50.
Der Durchmesser der Druckschulter 40 schafft einen Spielraum
bezüglich
der Kanäle 48.
Die Tiefe beider Kanäle 49 isst
geringer als die kombinierte Dicke der Scheibe 42 und der
Schulter 40, oder der kombinierten Dicke des Flansches
der Hülse 44 und
der Schulter 40. Die beschriebene Kanaltiefe verhindert,
dass der Außendurchmesserabschnitt des
Rollenabschnitts 34 in das Joch 30 eingreift.
Die Rollenabschnitte 34 haben eine Rollenfläche 52 mit einem
konkaven Profil, welches komplementär zu der Querschnittsform der
Zahnstange 14 ist. Der Radius des Profils der Rollenabschnitte 34 ist
etwas größer als
der Radius der Zahnstange 14. Der resultierende Einzelpunktkontakt
ermöglicht
die Kontrolle darüber,
wo Kontakt zwischen den Teilen auftritt. Die Rollenabschnitte 34 und
die Zahnstange 14 müssen eine
spezielle Härte
haben. Die Rollenabschnitte 34 müssen härter als die Zahnstange 14 sein,
um zu verhindern, dass die Rollenabschnitte heruntergebrochen werden. Über die
Zeit kann mit der Verformung der Zahnstange und/oder der Rollen
der Kontaktbereich expandieren oder verwischen.
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Das Stützjoch 30 weist ein
Paar einander gegenüberliegend
angeordnete Nuten 54 auf, welche radial nach inner vorstehende
Ausrichtungsseiten 56 des Gehäuses 12 aufnehmen.
Die Nuten 54 und die Ausrichtungsseiten 56 stellen
die richtige Orientierung der Stützanordnung 24 während deren
Einbau sicher und halten die Stützanordnung 24 während der
Montage des Lenkgetriebes 10 in der gewünschten Orientierung. Das Vorsehen
von Nuten 54 und Ausrichtungsseiten 56 ist eine Gestaltungsauswahl, die
für die
Wirkungsweise der Erfindung nicht kritisch ist. Wenn die Ausrichtungsseiten 56 nicht
vorgesehen sind und es einen ausreichenden Spielraum zwischen dem
Gehäuse 12 und
dem Joch 30 gibt, dreht sich das Stützjoch 30 spontan
in die gewünschte Ausrichtungsposition
infolge der Wirkung der Rollenabschnitte 34 gegen die Zahnstange 14.
Das Stützjoch 30 hat
auch eine Spielwölbung 58 von
ausreichender Größe, um sicherzustellen,
dass der einzige Kontakt, den die Zahnstange 14 mit der
Stützanordnung 24 hat,
mit den Rollenabschnitten 34 ist.
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Die Vorteile der geteilten Rolle
sind besser im Lichte des Betriebs des Lenkgetriebes 10 zu
verstehen, in welchem die geteilte Rolle integriert ist. Der Betrieb
des Zahnstangenlenkgetriebes 10 wird nun beschrieben, um
die Vorteile der geteilten Rolle besser zu erklären.
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Das Kitzel 16 wird wahlweise
durch einen Fahrzeugbediener gedreht, der ein Lenkrad dreht, welches
mit dem Kitzel 16 über
eine Lenkkrafthilfseinrichtung (nicht gezeigt) und/oder eine Lenksäule (nicht
gezeigt) verbunden ist. Der antreibende Eingriff zwischen den Ritzelzähnen 17 und
den Zahnstangenzähnen 18 verschiebt
die Zahnstange 14 quer entlang ihrer Achse. Die Rollenabschnitte 34 drehen sich
um den Stift 32, wenn die Zahnstange 14 verschoben
wird. Jedoch entwickelt der antreibende Eingriff zwischen den Ritzelzähnen 17 und
den Zahnstangenzähnen 18 auch
eine Trennkraft, die zu bewirken tendiert, dass sich die Zahnstange 14 und
das Kitzel 16 voneinander weg bewegen. Die Aufhängungslasten,
die durch die Verbindungsstangen übertragen werden, sind eine
zusätzliche
Quelle von Kräften,
die dahin tendieren, die Zahnstange 14 von dem Kitzel 16 weg
zu bewegen.
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Die Kugellager 20 widerstehen
der Trennkraft an dem Kitzel und halten die Position des Ritzels 16 aufrecht.
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Die Feder 26, die gegen
die Stützanordnung 24 wirkt,
unterstützt
die Zahnstange 14 beim Widerstehen gegen die Kräfte, die
dahin tendieren, die Zahnstange 14 von dem Ritzel 16 weg
zu bewegen. Die Rollenabschnitte 34 werden gegen die Zahnstange 14 gezwungen.
Die Reaktionskräfte
der Zahnstange 14 gegen die Rollenabschnitte 34 können als Kraftvektoren 60 angenähert werden,
die in 5 gezeigt sind.
Entgegengesetzt zueinander ausgerichtete, nach außen hin
gerichtete Kraftvektorabschnitte 62 spannen die Rollenabschnitte 34 gegen die
Lagerflächen 50 vor
und halten die Rollenabschnitte 34 zu den Lagerflächen 50 hin
gedrückt.
Die nach außen
hin gerichteten Vektorkräfte 62 verhindern
eine Trennung zwischen den Rollenabschnitten 34 und den
Lagerflächen 50 und
verhindern daher die Erzeugung von mechanischer Vibration durch den
Wiedereingriff der Rollenabschnitte mit den Lagerflächen 50.
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Eine vor/nach gerichtete Kraft, die
auf die Zahnstange 14 ausgeübt wird, welche erwartet werden
dürfte,
wenn eines der Räder
auf eine Unebenheit oder ein Schlagloch stößt, tendiert dahin, die Zahnstange 14 innerhalb
des Gehäuses 12 in
eine Richtung parallel zu dem Passstift 32 zu bewegen. Mit
einer einstöckigen
Rolle würde
dies die unerwünschten
Vibrationen innerhalb des Lenkgetriebes 10 erzeugen. Jedoch
gibt es bei dem Lenkgetriebe 10 mit geteilter Rolle 33 keine
derartige Erzeugung von Vibrationen, da die Rollenabschnitte 34 durch
die Kräfte 62 immer
gegen die Lagerflächen 50 gepresst werden.
Die feste Beschaffenheit des Stützjochs 30 begrenzt
ferner die Bewegung der Zahnstange 14 von dem Ritzel 16 weg
durch Begrenzen der Bewegung der Rollenabschnitte 34 nach
außen.
Daher resultieren die Aufhängungslasten
vor/nach an der Zahnstange 14 nicht in einer Vor/Nach-Bewegung der
Zahnstange 14, sondern in einer beträchtlichen Verbesserung gegenüber bekannten
Mitteln der Begrenzung der Vor/Nach-Bewegung der Zahnstange 14.
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Die Flanschabschnitte der Hülsen 44 oder die
Scheiben 42 mit ihren reibungsarmen Eigenschaften schützen sowohl
die Lagerflächen 50 als auch
die Druckflächen
der Schultern 40 vor Beschädigung durch Kombination der
Belastung zwischen den Teilen und der Relativdrehung dazwischen.
Die Abschnitte der Hülsen 44,
die innerhalb der Bohrungen 38 angeordnet sind, oder die
Hülsen 36 tragen jeweils
radiale Belastungen entsprechend einem Abschnitt 64 des
Kraftvektors 60 normal zum Stift 32 annähernd gleich
der einen Hälfte
der von die Feder 26 ausgeübten Kraft.