DE102012013970B4

DE102012013970B4 - Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel

Info

Publication number: DE102012013970B4
Application number: DE102012013970.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Lingemann
Original assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2032-07-14
Also published as: WO2014009497A3; WO2014009497A2; DE102012013970A1; CN104428188B; CN104428188A; US9815489B2; US20150166098A1

Abstract

Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange (14) an ein Ritzel (16), miteinem Gehäuse (12),einem Druckstück (20), das im Gehäuse (12) entlang einer Andruckachse (A) verschieblich geführt ist,einem Lagerelement (22), das axial am Gehäuse (12) fixierbar ist,einem axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper (23), sowieKeilkörpern (24), welche sich jeweils am Druckstück (20), am Lagerelement (22) und am Krafteinleitungskörper (23) abstützen,wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung (26) gleichmäßig verteilte Keilkörper (24) vorgesehen sind, undwobei der Krafteinleitungskörper (23) die Keilkörper (24) radial nach außen und das Druckstück (20) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel sowie eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge mit einer solchen Andruckvorrichtung.
Zahnstangenlenkungen sind in verschiedenen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund ihres Funktionsprinzips weisen alle Zahnstangenlenkungen ein Lenkgetriebe mit einer Zahnstange und einem Ritzel auf, wobei das Ritzel mit einem gezahnten Bereich der Zahnstange kämmt. Eine über das Lenkrad auf die Lenkwelle und das Ritzel aufgebrachte Rotationskraft wird dabei in eine Zahnstangennormalkraft umgewandelt und an lenkbare Räder eines Fahrzeugs weitergeleitet. Üblicherweise sind die Zahnstangenlenkungen heutzutage als hydraulische, elektrohydraulische oder elektrische Hilfskraftlenkungen ausgebildet, die einen Fahrzeugführer beim Lenkvorgang unterstützen.
Da im Lenkgetriebe mitunter beträchtliche Kräfte auftreten, wurde bereits recht früh erkannt, dass besondere Vorkehrungen zu treffen sind, um die Zahnstange in möglichst spielfreiem Eingriff mit dem Ritzel zu halten. Es besteht ansonsten die Gefahr, dass sich die Zahnstange unter Belastung vom Ritzel wegbewegt, indem sie sich quer zur Zahnstangenlängsrichtung verformt. Dabei würde es zumindest zu einer unerwünschten Erhöhung des Spiels in der Lenkung, im Extremfall sogar zu einem Durchrutschen der Lenkung kommen.
Um dies zu verhindern, wird im Bereich des Ritzels üblicherweise ein Druckstück eingesetzt, welches die Zahnstange mit einer möglichst konstanten Andruckkraft gegen das Ritzel beaufschlagt. Das Einstellen der gewünschten Andruckkraft, die Berücksichtigung von Verschleißerscheinungen infolge der beim Lenkvorgang auftretenden Gleitreibung zwischen Druckstück und Zahnstange sowie die Vermeidung von störenden Klappergeräuschen während des Fahrzeugbetriebs stellen dabei die größten Herausforderungen an Andruckvorrichtungen für Zahnstangenlenkungen dar.
In der US 7,654,166 B2 ist bereits eine Andruckvorrichtung für Zahnstangenlenkungen beschrieben, welche im Fahrzeugbetrieb weitgehend spielfrei und damit besonders geräuscharm arbeitet sowie darüber hinaus eine Einstellung der Andruckkraft des Druckstücks erlaubt.
Um die Andruckvorrichtung weitgehend spielfrei zu halten, sind in dieser Druckschrift zwei separate Keilkörper vorgesehen, deren schräge Keilflächen am Druckstück angreifen. Die beiden Keilkörper werden von einem Federelement quer zu einer Andruckachse gegeneinander beaufschlagt, wobei die Radialkraft über die Keilflächen in eine Axialkraft umgesetzt wird, welche das Druckstück axial gegen die Zahnstange presst. Die Montage der Vorrichtung, insbesondere die radiale Ausrichtung und Zentrierung der Keilkörper relativ zum Druckstück, die Bereitstellung einer hinreichenden axialen Andruckkraft durch das radial wirkende Federelement sowie die exakte Beaufschlagung des Druckstücks in axialer Richtung über die beiden geneigten Keilflächen erweist sich in diesem Fall jedoch als aufwendig und problematisch. Eine ausmittige oder nicht genau axial ausgerichtete Beaufschlagung des Druckstücks kann zum Verklemmen der Andruckvorrichtung und somit zu einem unerwünschten „Ruckeln“ des Lenkrads beim Lenkvorgang führen.
Die DE 10 2010 039 202 A1 zeigt eine Andruckvorrichtung für Zahnstangenlenkungen, bei der sich das Druckstück unter Beibehaltung eines gewünschten Spiels im Falle eines Verschleißes selbst nachstellen soll. Die Andruckvorrichtung weist hierzu ein Gehäuseteil auf, in welchem ein durch eine Druckstückfeder in Richtung auf die Zahnstange belasteter Kolben verschieblich geführt ist. Ferner ist eine Spindel vorgesehen, welche mit dem Druckstück mittels einer durch Axialkraft nicht drehbaren ersten Gewindeverbindung gekoppelt ist und mit einer Mutter mittels einer durch Axialkraft drehbaren zweiten Gewindeverbindung verbunden ist, wobei der Kolben mit der Mutter eine Kupplung ausbildet und eine Bewegung der Mutter relativ zum Kolben in eine von der Zahnstange abgewandte Richtung begrenzt. Die Andruckvorrichtung weist ferner eine Nachstellfeder auf, welche zwischen dem Druckstück und dem Kolben angeordnet ist und das Druckstück in Richtung auf die Zahnstange mit einer Federkraft belastet. Schließlich umfasst die Andruckvorrichtung noch einen Anschlag, der den Weg der Mutter in Richtung auf die Zahnstange begrenzt. Die vorgeschlagene Andruckvorrichtung ist infolge ihrer komplexen Konstruktion allerdings vergleichsweise aufwendig in der Herstellung und Montage.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Andruckvorrichtung für Zahnstangenlenkungen zu schaffen, die bei geringem Montageaufwand Verschleißerscheinungen kompensiert sowie eine exakt ausgerichtete, gleichmäßige und hinreichend große Beaufschlagung des Druckstücks in axialer Richtung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel, mit einem Gehäuse, einem Druckstück, das im Gehäuse entlang einer Andruckachse verschieblich geführt ist, einem Lagerelement, das axial am Gehäuse fixierbar ist, einem axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper, sowie Keilkörpern, welche sich jeweils am Druckstück, am Lagerelement und am Krafteinleitungskörper abstützen, wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Keilkörper vorgesehen sind, und wobei der Krafteinleitungskörper zum einen die Keilkörper radial nach außen sowie zum anderen das Druckstück axial vom Lagerelement weg beaufschlagt. Die zumeist beachtliche, gewünschte axiale Andruckkraft des Druckstücks lässt sich in diesem Fall einfach und zuverlässig über eine direkte axiale Beaufschlagung des Krafteinleitungskörpers erzeugen.
Vorzugsweise sind die Keilkörper der Andruckvorrichtung aus Kunststoff hergestellt. Da bei der Wahl eines geeigneten Kunststoffs die auftretenden Belastungen problemlos aufgenommen werden können, bietet die Kunststoffausführung Vorteile in Bezug auf Gewicht, Herstellungskosten und anpassbare Formgebung.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Andrücken der Zahnstange an das Ritzel sind die Keilkörper relativ zueinander bewegbar. Ferner können die Keilkörper mittels Kopplungselementen, insbesondere mittels flexiblen Kopplungselementen, miteinander verbunden sein, wodurch sich die Anzahl der Einzelbauteile reduziert und der Montageaufwand für die Andruckvorrichtung verringert.
In dieser Ausführungsform können insbesondere zwei in Umfangsrichtung benachbarte Keilkörper jeweils durch ein flexibles Kopplungselement verbunden sein. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, alle Keilkörper relativ zueinander zu positionieren und dennoch eine individuelle, radiale Bewegbarkeit aufrechtzuerhalten.
Besonders bevorzugt sind die Keilkörper einstückig mit den Kopplungselementen ausgeführt und bilden eine Keilkörpereinheit. Diese Keilkörpereinheit lässt sich insbesondere aus Kunststoff mit geringem Aufwand fertigen und benötigt zudem keine Vormontage, bei der einzelne Keilkörper über separate Kopplungselemente miteinander verbunden werden müssen.
Vorzugsweise ist axial zwischen dem Lagerelement und dem Druckstück ein in axialer Richtung elastisches Element, insbesondere ein O-Ring oder eine Tellerfeder vorgesehen. Mit diesem elastischen Element lassen sich z.B. Fertigungstoleranzen im Lenkgetriebe ausgleichen, ohne dass während eines Lenkmanövers eine Bewegung der Zahnstange in unerwünschter Weise durch das Druckstück behindert wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Andruckvorrichtung weist der Krafteinleitungskörper einen Konusabschnitt auf, mit dem er sich an im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen der Keilkörper abstützt. Infolge des konusförmigen Abschnitts am Krafteinleitungskörper sowie der wenigstens drei gleichmäßig verteilten Keilkörper findet eine radiale Zentrierung des Krafteinleitungskörpers relativ zu den Keilkörpern statt.
Im Übrigen kann eine den Keilkörpern zugewandte Stirnseite des Druckstücks einen konusförmigen Abschnitt aufweisen, an dem sich im Wesentlichen komplementär ausgebildete Kontaktflächen der Keilkörper abstützen. Infolge dieser kegel- oder kegelstumpfförmigen Ausbildung des Druckstücks an der den Keilkörpern zugewandten Stirnseite sowie der wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Keilkörper findet eine radiale Zentrierung der Keilkörper bezüglich der Andruckachse statt. In der zentrierten Position heben sich die radialen Kraftkomponenten auf und das Druckstück wird in axialer Richtung gleichmäßig gegen die Zahnstange beaufschlagt. Die Stirnseite des Druckstücks ist dabei insbesondere als „gerader“ Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet, das heißt als Kegel, bei dem die Spitze mittig über der Grundfläche liegt oder als Kegelstumpf, bei dem die Grundfläche und die Deckfläche parallel und konzentrisch angeordnet sind.
In einer Ausführungsform der Andruckvorrichtung ist ein Federelement vorgesehen, welches sich am Krafteinleitungskörper und am Druckstück abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper axial vom Druckstück weg beaufschlagt ist. Beispielsweise ist das Federelement als Schraubenfeder ausgebildet, welche sich in axialer Richtung erstreckt. Somit lässt sich auf einfache Art und Weise eine nahezu beliebige axiale Andruckkraft erzeugen, welche sich durch eine geeignete Wahl des Federelements sehr präzise einstellen lässt.
Alternativ kann ein Federelement vorgesehen sein, welches sich am Krafteinleitungskörper und am Lagerelement abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper axial vom Lagerelement weg beaufschlagt ist. Auch in diesem Fall kann das Federelement beispielsweise eine Schraubenfeder sein, die sich in axialer Richtung erstreckt. Funktion und Wirkung des Federelements sind dabei im Wesentlichen identisch mit der vorgenannten Ausführungsform. Strukturell unterscheiden sich die beiden Ausführungsvarianten hauptsächlich dadurch, dass im einen Fall das Druckstück und im anderen Fall das Lagerelement einen Aufnahmeraum für das Federelement bildet. Üblicherweise bietet es sich an, das Federelement im Druckstück aufzunehmen, da sich dessen Axialführung im Gehäuse mit zunehmender axialer Abmessung deutlich verbessert. Nachdem zur Axialführung jedoch lediglich ein Außenmantel benötigt wird, verbleibt im Inneren des Druckstücks ein ungenutztes Volumen, welches problemlos das Federelement aufnehmen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Andruckvorrichtung weiten sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper in axialer Richtung keilförmig auf. Um die Flächenpressungen zu reduzieren, können sich die Keilkörper, radial von innen nach außen gesehen, auch in Umfangsrichtung aufweiten und segmentförmige, insbesondere kreissegmentförmige Keilkörper bilden.
Die Erfindung umfasst im Übrigen auch eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse verschieblich gelagerten Zahnstange, einem Ritzel, das in die Zahnstange eingreift, und einer oben beschriebenen Vorrichtung, welche die Zahnstange gegen das Ritzel beaufschlagt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:

- 1 einen Detailschnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung mit erfindungsgemäßer Andruckvorrichtung im Gebrauchszustand;
- 2 zwei Detailschnitte durch die Zahnstangenlenkung gemäß 1 mit erfindungsgemäßer Andruckvorrichtung im Montagezustand;
- 3 einen Detailschnitt durch die erfindungsgemäße Andruckvorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform im Gebrauchszustand;
- 4 einen Detailschnitt durch die Andruckvorrichtung gemäß 3 im Montagezustand;
- 5 einen Detailschnitt durch die erfindungsgemäße Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform im Gebrauchszustand;
- 6 einen Detailschnitt durch eine Andruckvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- 7 einen Detailschnitt durch die Andruckvorrichtung gemäß 3;
- 8 einen Schnitt durch eine Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform im Ausgangszustand;
- 9 einen Schnitt durch die Andruckvorrichtung von 8 im Gebrauchszustand; und
- 10 ein Diagramm, bei dem für verschiedene Andruckvorrichtungen eine axiale Druckstückbewegung über einer im Bereich des Druckstücks auftretenden Zahnstangen-Querbelastung aufgetragen ist.

Die 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt einer Zahnstangenlenkung 10 für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse 12, einer in dem Gehäuse 12 längsverschieblich gelagerten Zahnstange 14, einem Ritzel 16, das in die Zahnstange 14 eingreift, und einer Andruckvorrichtung 18, welche die Zahnstange 14 gegen das Ritzel 16 beaufschlagt. Dabei ist die Andruckvorrichtung 18 gemäß 1 in einem Gebrauchszustand und gemäß 2 in einem Montagezustand dargestellt.
Das Gehäuse 12 der Andruckvorrichtung 18 ist im vorliegenden Fall einstückig mit dem Gehäuse 12 der Zahnstangenlenkung 10 ausgeführt. Alternativ kann die Andruckvorrichtung 18 jedoch auch ein Gehäuse 12 aufweisen, welches dann an einem separaten Gehäuse der Zahnstangenlenkung 10 befestigt wird.
Die Vorrichtung 18 zum Andrücken der Zahnstange 14 an das Ritzel 16 umfasst das Gehäuse 12, ein Druckstück 20, das im Gehäuse 12 entlang einer Andruckachse A verschieblich geführt ist, ein Lagerelement 22, das axial am Gehäuse 12 fixierbar ist, einen axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper 23 sowie mehrere Keilkörper 24, welche sich jeweils am Druckstück 20, am Lagerelement 22 und am Krafteinleitungskörper 23 abstützen.
Die Andruckachse A erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht, d.h. radial zu einer Zahnstangenachse Z. Darüber hinaus sind das Ritzel 16 und das Druckstück 20 auf gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange 14 so angeordnet, dass sich eine Rotationsachse R des Ritzels 16 und die Andruckachse A der Andruckvorrichtung 18 schneiden. Alternativ können das Ritzel 16 und das Druckstück 20 aber auch so angeordnet sein, dass die Rotationsachse R und die Andruckachse A zueinander versetzt sind.
Um eine Zentrierung der Keilkörper 24 relativ zum Druckstück 20 und zum Krafteinleitungskörper 23 sicherzustellen, sind im Allgemeinen wenigstens drei Keilkörper 24 vorgesehen, die in Umfangsrichtung 26 gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei der Krafteinleitungskörper 23 sowohl das Druckstück 20 axial vom Lagerelement 22 weg als auch die Keilkörper 24 radial nach außen beaufschlagt.
Hierzu weist der Krafteinleitungskörper 23 einen Konusabschnitt 28 auf, mit dem er sich an im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 30 der Keilkörper 24 abstützt. Bei einer Beaufschlagung des Krafteinleitungskörpers 23 axial gegen die Keilkörper 24, werden diese folglich nicht nur axial, sondern auch radial nach außen beaufschlagt.
Auch das Druckstück 20 weist auf einer den Keilkörpern 24 zugewandten Seite einen konusförmigen Druckstück-Abschnitt auf. Konkret bildet eine den Keilkörpern 24 zugewandte Stirnseite 32 des Druckstücks 20 gemäß den 1 und 2 eine Mantelfläche eines „geraden“ Kegels, bei dem die Kegelspitze mittig über der kreisförmigen Grundfläche liegt. An dieser Mantelfläche stützen sich im Wesentlichen komplementär ausgebildete Kontaktflächen 34 der Keilkörper 24 ab, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs in Umfangsrichtung 26 gleichmäßig verteilte Keilkörper 24 vorgesehen sind (vgl. 2).
Die 2 zeigt sowohl einen Längsschnitt als auch einen Querschnitt X-X der Andruckvorrichtung 18. Im Querschnitt X-X wird deutlich, dass die einzelnen Keilkörper 24 durch flexible Kopplungselemente 36 miteinander verbunden, aber dennoch relativ zueinander bewegbar sind. Konkret verbinden die Kopplungselemente 36 jeweils zwei in Umfangsrichtung 26 benachbarte Keilkörper 24.
Im vorliegenden Fall sind die Keilkörper 24 und die Kopplungselemente 36 aus einem Kunststoff hergestellt sowie einstückig als Keilkörpereinheit 38 ausgebildet.
Diese einstückig ausgebildete Keilkörpereinheit 38 vereinfacht in erheblichem Maße die Montage der Andruckvorrichtung 18, da die Keilkörper 24 nicht einzeln im Gehäuse 12 positioniert werden müssen.
Die Andruckvorrichtung 18 umfasst ferner ein Federelement 40, welches sich am Krafteinleitungskörper 23 und am Lagerelement 22 abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper 23 axial vom Druckstück 20 weg beaufschlagt ist. Das Federelement 40 ist im vorliegenden Fall eine als Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder, die sich in axialer Richtung erstreckt und eine gewünschte axiale Andruckkraft F_Andruck bereitstellt.
Anhand der 1 und 2 werden nachfolgend die Funktionsweise und die Vorteile der dargestellten Andruckvorrichtung 18 beschrieben:

In einem Montagezustand der Andruckvorrichtung 18 gemäß 2 sind das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 38 in einer Öffnung 42 des Gehäuses 12 angeordnet, wobei zumindest das Druckstück 20 bezogen auf die Andruckachse A in radialer Richtung passgenau, aber axial verschieblich in der Gehäuseöffnung 42 aufgenommen ist.

Das Lagerelement 22 ist im vorliegenden Fall mehrteilig ausgebildet und umfasst einen Außenring 44 sowie einen Innendeckel 46.
Der Innendeckel 46 weist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf einer dem Druckstück 20 zugewandten Seite eine Ausnehmung 48 zur Aufnahme des Federelements 40 auf.
Der Außenring 44 des Lagerelements 22 grenzt an Kontaktflächen 45 der Keilkörper 24 an und bildet ein Axiallager für die Keilkörper 24.
Um das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 38 in der Öffnung 42 des Gehäuses 12 zu halten, wird der Außenring 44 des Lagerelements 22 am Gehäuse 12 befestigt. Hierzu wird ein Außengewinde des Außenrings 44 in ein Innengewinde der Öffnung 42 eingeschraubt, sodass der Außenring 44 des Lagerelements 22 in axialer Richtung relativ zum Gehäuse 12 verstellbar ist.
Axial zwischen dem Lagerelement 22, konkret dem Außenring 44 des Lagerelements 22, und dem Druckstück 20 ist ein in axialer Richtung elastisches Element 50 vorgesehen. Dieses elastische Element 50 ist gemäß den 1 und 2 ein O-Ring, beispielsweise aus Gummi, welcher die Reibung zwischen den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22 erhöht und für ein vorbestimmtes, gewünschtes axiales Spiel in der Andruckvorrichtung 18 sorgt. Im Fall einer Überlast, das heißt bei einem Anstieg einer Zahnstangenkraft Fzs in Richtung der Andruckachse A über die gewünschte Andruckkraft F_Andruck hinaus, wird eine gewisse Bewegung des Druckstücks 20 in Richtung zum Lagerelement 22 durch axiale Kompression des elastischen Elements 50 ermöglicht. Dadurch lassen sich Maßtoleranzen bei den Komponenten der Zahnstangenlenkung 10 ausgleichen, ohne dass die Bewegung der Zahnstange 14 bei einem Lenkmanöver spürbar behindert wird.
Gemäß den 1 und 2 ist das elastische Element 50 in einer Nut 49 der Keilkörper 24 aufgenommen und ragt in axialer Richtung über die Keilkörper 24 hinaus.
Als elastisches Element 50 kann alternativ zum O-Ring beispielsweise auch eine Tellerfeder zum Einsatz kommen. Unter Umständen reicht bereits die Nachgiebigkeit innerhalb der Andruckvorrichtung 18 aus, um gewisse Maßtoleranzen im Lenkgetriebe der Zahnstangenlenkung 10 auszugleichen, sodass kein elastisches Element 50 notwendig ist.
Üblicherweise wird der Außenring 44 des Lagerelements 22 bis zu einem festen Anschlag 52 im Gehäuse 12 eingedreht. Dieser Anschlag 52 ist dabei so gewählt, dass das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 (bzw. die Keilkörpereinheit 38) in axialer Richtung noch ein gewisses Spiel haben.
In einem weiteren Montageschritt werden der Krafteinleitungskörper 23 und das Federelement 40 in die Öffnung 42 des Gehäuses 12 eingeführt und mittels des Innendeckels 46 am Gehäuse 12 befestigt (vgl. 1).
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu ein Außengewinde des Innendeckels 46 in ein Innengewinde des Außenrings 44 eingedreht. Beim Einschrauben des Innendeckels 46 wird das Federelement 40 vorgespannt, sodass es den Krafteinleitungskörper 23 axial gegen die Keilkörper 24 beaufschlagt. Beispielsweise wird der Innendeckel 46 in den Außenring 44 eingedreht, bis ein vorbestimmtes Drehmoment erreicht ist, welches einer gewünschten Andruckkraft F_Andruck entspricht.
Da der Krafteinleitungskörper 23 mit seinem Konusabschnitt 28 an den im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 30 der Keilkörper 24 anliegt, werden die Keilkörper 24 infolge der axialen Andruckkraft F_Andruck auch durch eine Kraft F_radial radial nach außen beaufschlagt.
Die Radialkraft F_radial verschiebt die Keilkörper 24 so weit nach außen, bis sie durch zunehmende Reibkräfte kompensiert wird, wobei hier in erster Linie die Komprimierung des elastischen Elements 50 und die daraus resultierende Erhöhung der Flächenpressung zwischen den Keilkörpern 24 und dem Druckstück 20 zu nennen ist.
Bei Erreichen dieses Kräftegleichgewichts sorgt das elastische Element 50 zwischen den Keilkörpern 24 und dem Außenring 44 vorzugsweise für das obengenannte, vorgegebene Axialspiel, also einen gewissen axialen Abstand zum Ausgleichen von Maßtoleranzen im Lenkgetriebe.
Die 3 und 4 zeigen die Vorrichtung 18 zum Andrücken der Zahnstange 14 an das Ritzel 16 gemäß einer alternativen Ausführungsform, welche jedoch hinsichtlich ihrer prinzipiellen Konstruktion und allgemeinen Funktionsweise im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 entspricht, sodass diesbezüglich explizit auf die obige Beschreibung verwiesen und im Folgenden lediglich auf Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen wird.
So ist der Krafteinleitungskörper 23 in axialer Richtung gesehen nunmehr zwischen den Keilkörpern 24 und dem Druckstück 20 vorgesehen und nicht, wie in der Ausführungsform gemäß den 1 und 2, zwischen den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22. Entsprechend stützt sich das Federelement 40 auch nicht mehr am Krafteinleitungskörper 23 und am Lagerelement 22, sondern am Krafteinleitungskörper 23 und am Druckstück 20 ab, sodass der Krafteinleitungskörper 23 axial vom Druckstück 20 weg beaufschlagt ist.
Aufgrund dieser konstruktiven Veränderung muss das Federelement 40 nicht mehr im Lagerelement 22 aufgenommen werden, sodass das Lagerelement 22 in axialer Richtung kompakter ausgeführt werden kann.
Aufgrund dieser axial kompakteren Ausführung des Lagerelements 22 ist es bei gleichem Bauraumbedarf möglich, die axiale Abmessung des Druckstücks 20 zu vergrößern, wodurch sich dessen axiale Führung im Gehäuse 12 verbessert. Da zur Axialführung ein zylindrisch geformter Außenmantel des Druckstücks 20 ausreicht, kann die Ausnehmung 48 zur Aufnahme des Federelements 40 problemlos im Innern des Druckstücks 20 ausgebildet werden.
Das elastische Element 50 ist in der Andruckvorrichtung 18 gemäß den 3 und 4 zwischen dem Druckstück 20 und den Keilkörpern 24 angeordnet, erfüllt jedoch dieselbe Funktion wie in der Ausführungsform gemäß den 1 und 2.
Die 4 zeigt einen Montagezustand der Andruckvorrichtung 18, in dem das Druckstück 20, das Federelement 40, der Krafteinleitungskörper 23 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 38 in der Öffnung 42 des Gehäuses 12 angeordnet sind, wobei zumindest das Druckstück 20 bezogen auf die Andruckachse A in radialer Richtung passgenau, aber axial verschieblich in der Gehäuseöffnung 42 aufgenommen ist. Zur radialen Dämpfung des Druckstücks 20 im Gehäuse 12 sind gemäß den 3 und 4 zwei O-Ringe 53 vorgesehen, die jeweils in einer umlaufenden Nut des Druckstücks 20 aufgenommen sind.
Das Lagerelement 22 ist in dieser Ausführungsform einstückig ausgebildet und wird mittels eines geeigneten Werkzeugs 54 in die Gehäuseöffnung 42 eingedreht. Hierzu ist am Lagerelement 22 ein Außengewinde und an der Öffnung 42 des Gehäuses 12 ein komplementäres Innengewinde vorgesehen. Um bei der Montage zunächst eine radiale Belastung der Keilkörper 24 zu verhindern, weist das Werkzeug 54 einen Dorn 56 auf, der sich durch eine Öffnung 58 im Lagerelement 22 erstreckt und an einem axialen Fortsatz 60 des Krafteinleitungskörpers 23 angreift. Entsprechend kann das Werkzeug 54 mit einem vorbestimmten Drehmoment beaufschlagt werden, um anschließend durch ein gezieltes Zurückdrehen des Lagerelements 22 eine gewünschte Grundposition einzustellen.
Nach dem Entfernen des Werkzeugs 54 entfällt der Dorn 56 als Axiallager für den Krafteinleitungskörper 23, sodass sich der Konusabschnitt 28 des Krafteinleitungskörpers 23 an den Keilkörpern 24 abstützt und diese radial nach außen beaufschlagt (3).
Analog zur Ausführungsform gemäß den 1 und 2 wird die Bewegung der Keilkörper 24 radial nach außen durch den bereits oben beschriebenen Anstieg der Reibung begrenzt.
Gemäß den 3 und 4 weist der Krafteirileitungskörper 23 den Konusabschnitt 28 auf, welcher an den im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 30 der Keilkörper 24 anliegt. Ferner sind zylindrische Fortsätze 60, 62 an den axialen Enden des Krafteinleitungskörpers 23 ausgebildet, welche in das als Schraubenfeder ausgebildete Federelement 40 bzw. in die Öffnung 58 des Lagerelements 22 eingreifen.
Die den Keilkörpern 24 zugewandte Seite des Druckstücks 20 ist gemäß den 3 und 4 wenigstens abschnittsweise konusförmig ausgebildet. Konkret bildet die Stirnseite 32 des Druckstücks 20 eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes, an der sich die im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 34 der Keilkörper 24 abstützen. Die Stirnseite 32 weist außerdem die Nut 49 auf, in welcher das elastische Element 50 aufgenommen ist.
Radial von innen nach außen gesehen weiten sich die Keilkörper 24 in axialer Richtung zunächst keilförmig auf und verringern dann ihre axiale Abmessung wieder (siehe 3 und 4). Außerdem weiten sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper 24 auch in Umfangsrichtung 26 auf und bilden kreissegmentförmige Keilkörper 24 gemäß 2, um die Flächenpressung und damit auch die Materialbeanspruchung zu reduzieren.
Für die einzelnen Bauteile der Andruckvorrichtung 18 wird, abhängig von der auftretenden Beanspruchung sowie dem Fertigungsaufwand ein geeignetes Material gewählt.
So ist das Lagerelement 22 gemäß den 3 und 4 beispielsweise als Gussteil oder als Dreh-/Frästeil aus Aluminium hergestellt.
Der Krafteinleitungskörper 23 ist hingegen ein gedrehtes Stahlteil, wobei je nach auftretender Belastung und gewünschtem Reibwert auch eine Kunststoffausführung denkbar ist. In jedem Fall lässt sich ein Konuswinkel α des Krafteinleitungskörpers 23 mit geringem Aufwand an die jeweiligen Randbedingungen und Anforderungen anpassen.
Die Keilkörper 24, welche in einigen Ausführungsbeispielen auch eine Keilkörpereinheit 38 bilden können, sind vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. Im einfachsten Fall wird aus dem Kunststoff ein Konusring gedreht, der anschließend radial in Keilsegmente aufgeschnitten wird. Auch bei diesem Drehteil lassen sich der Konuswinkel α und ein Konuswinkel β einfach an individuelle Vorgaben anpassen.
In 5 ist die Vorrichtung 18 zum Andrücken der Zahnstange 14 an das Ritzel 16 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt, welche hinsichtlich ihrer prinzipiellen Konstruktion und allgemeinen Funktionsweise im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den 3 und 4 entspricht, sodass bezüglich des funktionalen Grundprinzips auf die obige Beschreibung verwiesen wird und im Folgenden lediglich auf Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen wird.
Die beiden Ausführungsformen der Andruckvorrichtung 18 unterscheiden sich lediglich durch die Konstruktion des Druckstücks 20, welches in den 3 und 4 einteilig ausgeführt ist. Hingegen ist das Druckstück 20 gemäß 5 zweiteilig aufgebaut, aus einem Grundkörper 64 und einem Einsatz 66.
Der Einsatz 66 ist axial beweglich im Grundkörper 64 gelagert und stützt sich in axialer Richtung über das elastische Element 50 am Grundkörper 64 ab.
Das elastische Element 50 ist gemäß 5 ein O-Ring, beispielsweise aus Gummi, und sorgt für ein vorbestimmtes, gewünschtes axiales Spiel in der Andruckvorrichtung 18. Im Fall einer Überlast, das heißt bei einem Anstieg einer Zahnstangenkraft F_ZS in Richtung der Andruckachse A über die gewünschte Andruckkraft F_Andruck hinaus, wird eine gewisse Bewegung des Druckstück-Grundkörpers 64 in Richtung zum Lagerelement 22 durch axiale Kompression des elastischen Elements 50 ermöglicht. Dadurch lassen sich Maßtoleranzen bei den Komponenten der Zahnstangenlenkung 10 ausgleichen, ohne dass die Bewegung der Zahnstange 14 bei einem Lenkmanöver spürbar behindert wird.
Somit ist das elastische Element 50 in der Andruckvorrichtung 18 gemäß 5 zwar zwischen dem Einsatz 66 und dem Grundkörper 64 des Druckstücks 20 angeordnet, erfüllt jedoch dieselbe Funktion wie in den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4.
Da das elastische Element 50 gemäß 5 gleichzeitig auch die Funktion der radialen Dämpfung des Druckstücks 20 im Gehäuse 12 übernimmt, kann im Vergleich zur Ausführungsform gemäß den 3 und 4 auf einen der beiden O-Ringe 53 verzichtet werden.
Die 6 zeigt eine Andruckvorrichtung 18 für Zahnstangenlenkungen 10 gemäß dem Stand der Technik, bei der keine Keilkörper 24 zur Kompensation von Verschleißerscheinungen in der Zahnstangenlenkung 10 vorgesehen sind.
Die 7 zeigt demgegenüber eine erfindungsgemäße Andruckvorrichtung 18 für eine Zahnstangenlenkung 10, bei der mehrere Keilkörper 24 mit den Konuswinkeln α, β vorgesehen sind.
In den 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorherigen Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Die Ausführungsform gemäß den 8 und 9 basiert auf der Ausführungsform vom 5, unterscheidet sich von dieser aber dadurch, dass am Lagerelement 22 ein Abstützelement 90 vorgesehen ist. Das Abstützelement 90 ist hier als umlaufender Kragen ausgeführt, der sich vom Lagerelement hin zur Zahnstange 14 erstreckt.
Am Abstützelement 90 kann eine Abstützfläche 92 anliegen, die an der Seite des Einsatzes 66 vorgesehen ist, die dem Lagerelement 22 zugewandt ist. Im Ausgangszustand, der in 8 gezeigt ist, definiert das Abstützelement 90 die maximale Entfernung des Einsatzes 66 von der Zahnstange 14.
Das Abstützelement 90 hat zwei Funktionen. Zunächst kann es bei der Montage dafür verwendet werden, das vorbestimmte elastische Spiel mit geringem Aufwand einzustellen. Zunächst wird das Lagerelement 22 maximal in das Gehäuse 12 eingeschraubt, bis alle Elemente (vom Lagerelement über den Einsatz 66 bis hin zum Drückstück 20) „auf Block“ sind. Dann wir das Lagerelement 22 um einen vorbestimmten Winkel zurückgeschraubt, wodurch sich das vorbestimmte elastische Spiel ergibt (siehe dem mit „S“ markierten Bereich zwischen dem Einsatz 66 und dem Druckstück 20).
Die zweite Funktion des Abstützelements 90 besteht darin, dass es eine Begrenzung für die maximale Rückwärtsbewegung des Einsatzes 66 bei Überlast darstellt. Unabhängig vom Verschleißzustand der Keilkörper 24 und einer eventuellen Ausweichbewegung der Keilkörper 24 nach innen begrenzt das Abstützelement 90, wie weit der Einsatz 66 maximal von der Zahnstange 14 weg in Richtung zum Lagerelement 22 gedrückt werden kann.
Die 10 zeigt schließlich ein Diagramm, bei dem eine axiale Verschiebung s des Druckstücks 20 über einer Zahnstangenkraft F_ZS dargestellt ist, wobei die Zahnstangenkraft Fzs in einen Kraftbereich 68 üblicher Lenkmanöver, einen Übergangsbereich 70 und einen Kraftbereich 72 unterteilt ist, der auf einen Spitzenlastgebrauch der Zahnstangenlenkung 10 hinweist.
Das Verhalten der Andruckvorrichtung 18 gemäß dem Stand der Technik (vgl. 6) ist für eine neuwertige Zahnstangenlenkung 10 in Kurve 74 und für eine Zahnstangenlenkung 10, die bereits einem gewissen Verschleiß unterworfen war, in Kurve 75 wiedergegeben.
Demgegenüber ist das Verhalten einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung 18 mit Konuswinkeln α ≈ 20° und β ≈ 30° anhand einer Kurve 76 (für eine neuwertige. Zahnstangenlenkung 10) und anhand einer Kurve 77 (für eine Zahnstangenlenkung 10 mit gewissem Verschleiß) wiedergegeben.
Schließlich wird das Verhalten einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung 18 mit Konuswinkeln von α ≈ 40°, β ≈ 10° anhand einer Kurve 78 (für eine neuwertige Zahnstangenlenkung 10) und anhand einer Kurve 79 (für eine Zahnstangenlenkung 10 mit gewissem Verschleiß) wiedergegeben.
In dem Diagramm gemäß 10 wird deutlich, dass sich bei herkömmlichen Zahnstangenlenkungen 10 nach dem Auftreten gewisser Verschleißerscheinungen bereits im Kraftbereich 68 üblicher Lenkmanöver eine unerwünscht große Verschiebung des Druckstücks 20 ergibt, was sich für den Fahrer als unerwünschte Veränderung des Lenkverhaltens wie z.B. Lenkungsspiel oder Klappergeräusch der Zahnstangenlenkung 10 äußert (vgl. Kurven 74, 75).
Durch die erfindungsgemäße Andruckvorrichtung 18 treten unerwünscht große Verschiebungen des Druckstücks 20 erst im Kraftbereich 72 auf, der bereits auf einen Spitzenlastgebrauch der Zahnstangenlenkung 10 hinweist (vgl. Kurven 76, 77). Die Konuswinkel α, β sind dabei so gewählt, dass im Kraftbereich 72 eine radiale Bewegung der Keilkörper 24 möglich ist und somit ein Blockieren der Zahnstange 14 oder eine unerwünscht hohe Zahnstangenreibung zuverlässig verhindert wird.
Als Kurve 96 ist die Verschiebung für die Ausführungsform gemäß den 8 und 9 dargestellt. Es ist zu sehen, dass aufgrund des zusätzlichen Abstützelements 90 das maximal auftretenden Spiel auf einen kleineren Wert, gegenüber der Kurve 77, begrenzt ist.
Alternativ lassen sich bei geeigneter Abstimmung der Konuswinkel α, β, der jeweils gewünschten Andruckkraft F_Andruck und der jeweiligen Reibung zwischen dem Krafteinleitungskörper 23 und den Keilkörpern 24, den Keilkörpern 24 und dem Druckstück 20 sowie den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22, selbst im Kraftbereich 72 (Spitzenlastgebrauch der Zahnstangenlenkung 10) große Druckstückverschiebungen verhindern (vgl. Kurven 78, 79). In einem solchen Fall bleibt das axiale Spiel des Druckstücks 20 auf einem konstant niedrigen Niveau und ist zudem weitgehend unbeeinflusst von Verschleißerscheinungen in der Zahnstangenlenkung 10. In vorteilhafter Weise nimmt der Fahrer dadurch über nahezu alle auf die Zahnstangenlenkung 10 einwirkenden Lastfälle (vgl. weitgehend konstanten Verlauf der Kurven 78, 79 zwischen 600 N und 7000 N) sowie über die gesamte Nutzungsdauer der Andruckvorrichtung 18 (vgl. weitgehend identischen Verlauf der Kurven 78 und 79) keine unerwünschte Veränderung im Lenkverhalten wahr.
Der in der Zahnstangenlenkung 10, beispielsweise in einer Gleitschicht 80 des Druckstücks 20 auftretende Verschleiß wird in der erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung 18 durch eine Verschiebung der Keilkörper 24 radial nach außen kompensiert. Ein gewisses, durchaus gewünschtes Maß s an axialer Verschiebung des Druckstücks 20 wird durch das elastische Element 50 oder eine anderweitig vorhandene Elastizität im Bereich der Andruckvorrichtung 18 sichergestellt, und somit können die im Verzahnungsbereich auftretenden Maßtoleranzen designtechnisch aufgefangen werden.

Claims

Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange (14) an ein Ritzel (16), mit einem Gehäuse (12), einem Druckstück (20), das im Gehäuse (12) entlang einer Andruckachse (A) verschieblich geführt ist, einem Lagerelement (22), das axial am Gehäuse (12) fixierbar ist, einem axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper (23), sowie Keilkörpern (24), welche sich jeweils am Druckstück (20), am Lagerelement (22) und am Krafteinleitungskörper (23) abstützen, wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung (26) gleichmäßig verteilte Keilkörper (24) vorgesehen sind, und wobei der Krafteinleitungskörper (23) die Keilkörper (24) radial nach außen und das Druckstück (20) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) aus Kunststoff hergestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) relativ zueinander bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Umfangsrichtung (26) benachbarte Keilkörper (24) jeweils durch ein flexibles Kopplungselement (36) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) und die Kopplungselemente (36) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen dem Lagerelement (22) und dem Druckstück (20) ein in axialer Richtung elastisches Element (50), insbesondere eine Tellerfeder oder ein O-Ring vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafteinleitungskörper (23) einen Konusabschnitt (28) aufweist, mit dem er sich an im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen (30) der Keilkörper (24) abstützt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Keilkörpern (24) zugewandte Stirnseite (32) des Druckstücks (20) einen konusförmigen Abschnitt aufweist, an dem sich im Wesentlichen komplementär ausgebildete Kontaktflächen (34) der Keilkörper (24) abstützen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (40) vorgesehen ist, welches sich am Krafteinleitungskörper (23) und am Druckstück (20) abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper (23) axial vom Druckstück (20) weg beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (40) vorgesehen ist, welches sich am Krafteinleitungskörper (23) und am Lagerelement (22) abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper (23) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper (24) in axialer Richtung keilförmig aufweiten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstützelement (90) vorgesehen ist, das eine Rückbewegung des Druckstücks begrenzt.
Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse (12), einer in dem Gehäuse (12) verschieblich gelagerten Zahnstange (14), einem Ritzel (16), das in die Zahnstange (14) eingreift, und einer Vorrichtung (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche die Zahnstange (14) gegen das Ritzel (16) beaufschlagt.