DE10208948A1

DE10208948A1 - Druckstückeinheit für Zahnstangen-Lenkgetriebe

Info

Publication number: DE10208948A1
Application number: DE10208948A
Authority: DE
Inventors: Juergen Bieber; Rainer Schaenzel; Michael Schmidt
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-18
Also published as: JP2005518978A; EP1478559A1; WO2003072416A1; AU2003206957A1; US7197956B2; US20050039554A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckstückeinheit (1) für Zahnstangen-Lenkgetriebe, die in eine Gehäusebohrung des Lenkgetriebegehäuses (2) von Kraftfahrzeugen integriert ist, um das Ritzel mit der Zahnstange im ständigen Eingriff zu halten, bestehend aus einem Zylinderteil (3), einem Kolbenteil (8) und zweier miteinander korrespondierender, mit Hydraulikmedium gefüllter Kammern (4 und 9), die über ein Nachsaugventil (15) und über eine Drosselstelle (14) miteinander verbunden sind, wobei in der Druckstückeinheit (1) zusätzlich eine Überlastsicherung (12; 13) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckstückeinheit für Zahnstangen-Lenkgetriebe, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Druckstücken konventioneller Bauart, wie in der DE 34 08 673 A1 beschrieben, drückt das Druckstück durch die federnde Kraft einer Feder gegen die Rückseite der Zahnstange, um einen spielfreien Zahneingriff zwischen Zahnstange und Ritzel zu gewährleisten. Dabei stützt sich die Feder gegen die Innenseite eines Schraubdeckels unter Einhaltung eines begrenzten Spaltes (Spiel) zwischen Deckel und Druckstück ab. Das Spiel und die federnde Kraft der Feder können durch den Betrag des Einschraubens des Deckels eingestellt werden und bei Belastung des Druckstückes durch die Zahnstange wird der Anschlag je nach Voreinstellung gedämpft.

Über die Lebensdauer gesehen, tritt infolge von hohen Kräften, wie sie z. B. bei elektromechanischen Zahnstangenlenkungen auftreten, ein erhöhter Verschleiß an der Verzahnung und anderen miteinander korrespondierenden Bauteilen auf, wodurch sich der Spalt vergrößert. Die dadurch gegebene, vergrößerte axiale Ausweichmöglichkeit des Druckstückes, kann, trotz z. B. einer Feder zwischen Druckstück und Stellschraube, zu einem störenden Geräuschverhalten führen.

Bei einer in der DE 36 37 197 A1 offenbarten Druckstückeinheit wird, um das spielfreie Kämmen des Ritzels in der Zahnstange zu gewährleisten, zusätzlich zu der konventionellen Vorspannung des Druckstückes mit einer Feder, dieses hydraulisch beaufschlagt. Die Druckstückeinheit ist in einer Bohrung des Lenkgetriebegehäuses integriert. Sie besteht aus einem Zylinderteil und einem Kolbenteil, wobei das Zylinderteil eine Trennwand aufweist, die mit einem in einer Durchströmöffnung angeordneten Rückschlagventil und einer Drosselbohrung ausgestattet ist. Das Kolbenteil ist, von einer Feder kraftbeaufschlagt, in der zahnstangenseitigen Seite des Zylinderteils geführt und schließt einen Druckraum ein. Auf der gegenüberliegenden Seite der Trennwand schließt ein ebenfalls durch eine Feder beaufschlagter Nachstellkolben einen Vorratsraum ein. Da der Druckraum vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt und durch das Rückschlagventil gegenüber dem Vorratsraum verschlossen ist, wird ein hydraulisches Polster gegen das Abheben der Zahnstange vom Ritzel gebildet. Gegebenenfalls auftretender Verschleiß wird durch Nachführen des Kolbenteils, wobei Hydraulikmedium über die das Rückschlagventil aufnehmende Öffnung in der Trennwand nachströmt, ausgeglichen. Ein unzulässiger Überdruck im Druckraum durch Temperaturänderung oder toleranzbedingter Lageveränderungen zwischen dem Kolbenteil und dem Zylinderteil wird durch das Überströmen von Hydraulikmedium durch die Drosselbohrung vermieden.

Bei schnellen, ruckartigen Lenkbewegungen und fortgeschrittenem Verschleiß der korrespondierenden Lenkgetriebeteile (die Zahnstange ist z. B. in ihrem Verzahnungsbereich durch die unterschiedliche Häufigkeit des Eingriffs des Ritzels in ihre Zähne unterschiedlich stark verschlissen) kann es bei dem Zusammentreffen ungünstigster Voraussetzungen zu einem Verklemmen des Lenkgetriebes kommen, da die Inkompressibilität des Hydraulikmediums so groß wird, dass kein Ausweichen des Druckstückes mehr stattfindet und das Druckstück wie ein starrer Anschlag wirkt. Eine vergrößerte Drosselbohrung, die in diesem Fall Abhilfe schaffen würde, wäre im Normalbetrieb nachteilig, da keine Dämpfung mehr stattfinden würde.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Druckstückeinheit der eingangs angegebenen Art zu konzipieren, bei welcher die Spielfreiheit zwischen Zahnstange und Ritzel bei normalem Lenkbetrieb und ebenso bei schnellen, ruckartigen Lenkbewegungen ohne störende Geräuschentwicklung und hoher Funktionalität realisiert wird. Das Problem wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst, indem zusätzlich zu dem Nachsaugventil und einer Drosselstelle, durch welche die Hydraulikkammern verbunden sind, eine Überlastsicherung in der Druckstückeinheit angeordnet wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit der Druckstückeinheit eine gleichbleibende Dämpfung, unabhängig von der Druckstückposition, dem Verschleiß und von Temperatureinflüssen erreicht wird, wobei die Druckstückeinheit als Modul ausgeführt, außerhalb des Lenkgetriebegehäuses vormontiert werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Druckstückeinheit;
Fig. 2 Schnitt A-A gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht des Kolbenteils;
Fig. 4 Schnitt B-B gemäß Fig. 3;
Fig. 5 Schnitt C-C gemäß Fig. 4.
Im Wesentlichen gleiche Teile in den unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Zeichnung ist eine Druckstückeinheit 1 dargestellt, die in Lenkgetrieben von Kraftfahrzeugen angewandt wird, um das Antriebsritzel, welches mit dem Lenkhandrad über eine Lenksäule verbunden ist, mit der Verzahnung der Zahnstange, die beidseitig über Spurstangen und Lenkhebel mit den lenkbaren Rädern verbunden ist, im ständigen Eingriff zu halten. Eine Anwendung der Druckstückeinheit 1 für andere Gebiete des Fahrzeug- und Maschinenbaus, in denen Ritzel- Zahnstangen-Übersetzungen zum Einsatz kommen, ist jederzeit möglich.
Die Druckstückeinheit 1 ist in eine Aufnahmebohrung des Lenkgetriebegehäuses 2 derart integriert, dass das der Verzahnung der Zahnstange gegenüberliegende Teil der Zahnstange mit der Aufnahme 16 der Druckstückeinheit 1, die in ihrer geometrischen Form dem Zahnstangenrücken angepasst und mit einem einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisenden Material ausgekleidet ist, korrespondiert.
Die Druckstückeinheit 1 weist in dem Anwendungsfall nach den Fig. 1 und 2 ein in der Bohrung 17a einer Patrone 17 axial zur Schnittlinie A-A bewegliches Zylinderteil 3 auf. Dieses Zylinderteil 3 ist derart ausgebildet, dass an ihm zahnstangenseitig die Aufnahme 16 für den Zahnstangen rücken angeordnet ist und dass weiterhin an seiner vom Zahnstangen rücken abgewandten Seite die räumlichen Voraussetzungen für zwei Hydraulikkammern 4 und 9, den Kolben 8 und ein Ausgleichselement 7, geschaffen sind. Hierzu weist das Zylinderteil 3 eine hohlzylinderförmige Wand 3a auf, die in einem Abstand zur Mantelfläche, der in der Patrone 17 integrierten Bohrung 17a, angeordnet ist. Dadurch wird ein ringförmiger Raum, die Kammer 4, in welcher eine Druckfeder 5 integriert ist, und ein zylinderförmiger Innenraum, die Kammer 9, gebildet. In der Kammer 9 ist das Ausgleichselement 7 angeordnet, dessen zahnstangenseitige Fläche im Ruhezustand (entlastet) der Druckstückeinheit 1 zu der Bodenfläche 9a der Kammer 9 einen Spalt 19 bildet. Der Kolben 8, der sich aus einem zylinderförmigen Kopfteil 8a, deren Kreisfläche (Fig. 3) in etwa der Bohrlochfläche der Patrone 17 entspricht, und einem zylinderförmigen Kolbenteil 8b zusammensetzt, ragt mit seinem Kolbenteil 8b derart in die Kammer 9, dass im Ruhezustand der Druckstückeinheit 1 zwischen Kopfteil 8a des Kolbens 8 und einer durch das Ende der Wand 3a des Zylinderteils 3 gebildeten Kreisringfläche ein ringförmiger Spalt 18 gebildet werden kann. In dem Kolben 8 sind, wie aus den Fig. 3 bis 5 erkennbar, sechs Durchgangsbohrungen 20; 21 integriert, von denen die drei den Kolben 8 durchdringenden Bohrungen 20 der Aufnahme des Nachsaugventils 15, der Drosselstelle 14 (durch das Einsetzen einer Drosseleinrichtung 14 in eine Bohrung 20 besteht die Möglichkeit den Durchflussquerschnitt z. B. durch den Austausch der selben zu variieren, ebenso kann aber eine Drosselbohrung auch direkt im Kolben 8 erfolgen) und einer Überlastsicherung 13 dienen, während die anderen drei Bohrungen 21 als Verbindungsbohrungen in dem Kopfteil 8a des Kolbens 8 integriert sind. Zwischen dem Kopfteil 8a des Kolbens 8 und dem Boden 17b der Patrone 17 ist eine als Überlastsicherung dienende Tellerfeder 12, die ein gedämpftes Wegtauchen der Druckstückeinheit 1 ermöglicht, als federmechanisches Bauelement 12 angeordnet. Ein federmechanisches Bauelement kann auch zwischen der Einstellmutter 6 und der Patrone 17 (nicht dargestellt) integriert werden. Der Kolbenteil 8b des Kolbens 8 und das Ausgleichselement 7 sind jeweils durch ringförmige Dichtelemente 22 zur zylinderförmigen Wand 3a des Zylinderteiles 3 abgedichtet. Ebenso ist zwischen Zylindereinheit 3 und Patrone 17 ein Dichtelement 22 integriert. Die Patrone 17 wird durch eine Einstellmutter 6 in der Gehäusebohrung des Gehäuses 2 gehalten. Vor der Justierung der Einstellmutter 6 mittels Verdrehsicherung 23 ist ein Spielwert (Spalt 18) vorzusehen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Druckstückeinheit 1 ist das Zylinderteil 3 mit dem Kolben 8 fest verbunden. Vorteilhaft kann hierbei die Dichtung 22, die im bisher beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel, zwischen Zylindereinheit 3 und Patrone 17 angeordnet ist entfallen. Ebenso könnte die Funktion der Drosselstelle 14 anstatt über eine im Kolben 3 integrierte Durchgangsbohrung über einen als Spaltdrossel wirkenden Ringspalt erfolgen. Die Möglichkeit der Spielwerteinstellung, die bei einer festen Verbindung Kolben 8 - Zylinderteil 3 über den nicht vorhandenen Spalt 18 entfällt, würde durch einen zu bildenden Spalt 17c zwischen dem Kolben 8 und der Patrone 17 kompensiert. Auch ist es möglich, dass das Ausgleichselement 7, das beispielhaft als Ausgleichskolben ausgeführt ist, alternativ auch aus einer Membrane gebildet werden kann.
Vor dem Entlüften und anschließenden Befüllen über die durch ein Verschlusselement 24 verschlossenen Enlüftungsbohrung (zu diesem Zweck ist die Verschlussschraube 24 durch einen nicht dargestellten Entlüftungs- und Befüllstutzen auszutauschen) sind der Spalt 19 und das Spiel (Spalt 18 bzw. 17c) auf Anschlag zu stellen. Hierzu wird das Ausgleichselement 7, beispielhaft über ein Gewinde 26 durch die Bohrung 25, in der Zylindereinheit 3 gegen den Boden 9a der Kammer 9 gezogen. Durch Verschieben des Ausgleichselements 7 nach dem Befüllen kann der Spalt 19 eingestellt werden.
Bei Normalbetrieb der Lenkung und damit normaler Beanspruchung des Lenkgetriebes wird die Aufnahme 16 und damit die Zylindereinheit 3 durch eine Ausweichbewegung der Zahnstange mit Kraft beaufschlagt. Bei einer daraus resultierenden Bewegung der Zylindereinheit 3 in der Patrone 17 wirkt die vollständig mit Öl gefüllte Kammer 4 als hydraulisches Polster gegen das Abheben der Zahnstange vom Ritzel. Bei weiterer Belastung der Aufnahme 16 und einer weiteren linearen Bewegung der Zylindereinheit 3 in der Patrone 17 entsteht ein erhöhter Druck in der Kammer 4, der sich durch Verdrängung des Öls über die Verbindungsbohrungen 21, den Verbindungskanälen 11 und der Drosselstelle 14 in die Kammer 9 abbaut, wobei das Ausgleichselement 7 der Volumenveränderung entsprechend nachstellt und das Miteinanderkämmen des Ritzel-Zahnstangen- Paares weiterhin dämpfend gesichert wird.
Bei stoßartiger Belastung der Aufnahme 16 und damit des Zylinderteils 3, baut sich in der Kammer 4 ein Hochdruck auf, der, wie eingangs erwähnt, allein durch die Drosselstelle 5 nicht mehr abgebaut werden kann. Um eine Schädigung der Bauteile zu vermeiden, wird der Druck über das beispielhaft bei 30 bar öffnende Überdruckventil 13 des Kolbens 8 in die Kammer 9 abgeleitet und die Dämpfung erfolgt entsprechend der Belastung. Alternativ ist eine Kombination aus hydraulischem Bauteil 13, einem Überdruckventil, und einem zwischen Patrone 17 und Kolben 8 integrierten federmechanischem Bauteil 12, wie in Fig. 1 dargestellt, als Überlastsicherung 12; 13 ebenfalls einsetzbar. Unabhängig von der Größe und der Art der Belastung wirkt die Kraftabstützung (Steifigkeit) als Reaktionskraft korrelierend zu den Aktionskräften (Verzahnungsabweiskräften).
In dem oben beschriebenen, nicht dargestellten Anwendungsfall einer festen Verbindung zwischen Kolben 8 und Zylinderteil 3, kann anstatt des Überdruckventils 13 zwischen Patrone 17 und Einstellmutter 6 ein federmechanisches Bauelement 12 als Überlastsicherung 12; integriert werden, welches den Druckabbau übernimmt, bevor Bauteile beschädigt werden. Voraussetzung hierfür wäre eine verschiebbare Anordnung der Patrone 17 im Gehäuse 2. Im Wirkzusammenhang mit einem hydraulischen Bauelement 13 als Überlastsicherung 12 und 13 ist eine solche Anordnung eines federmechanischen Bauelementes 12 auch möglich.
In den beschriebenen Anwendungsfällen ist es ebenfalls möglich als federmechanische Überlastsicherung (12) einen einstellbaren elastischen Sprengring einzusetzen.
Bei Entlastung der Aufnahme 16 und damit der Zylindereinheit 3 drückt die Feder 5 das Zylinderteil 3 wieder in Richtung Zahnstangenrücken. In der Kammer 4 entsteht ein Unterdruck, wodurch das Nachsaugventil 15 öffnet und Öl von der Kammer 9 in die Kammer 4 zurückströmt. Die Feder 10 sorgt dafür, dass sich ein Luftpolster bildet, indem sie über den Ausgleichselement 7 gegen den Öldruck (Niederdruck) im Nachsaugbereich wirkt.
Als Montagesicherung ist in der Druckstückeinheit 1 ein Spannstift 27 integriert.
Der Einsatz einer Überlastsicherung ist auch in anderen hydraulischen Druckstücken, in welchem die Konstellation von Kammern, Ausgleichselement, Kolben und Zylinderteil eine andere, als die beschriebene ist, möglich. So würde z. B. bei einem hydraulischen Druckstück nach dem eingangs beschriebenen Stand der Technik, bei welchem die Druckstückeinheit aus einem Zylinderteil, das durch eine Trennwand in einen oberen und einen unteren Teil getrennt wurde, und einem Kolbenteil besteht, das die Aufnahme beinhaltet und im oberen Teil (Druckraum) der Zylindereinheit beweglich integriert ist, während im unteren Teil des Zylinderteils das Ausgleichselement mit dem Lagerraum angeordnet ist, die Überlastsicherung zusätzlich zu dem vorhandenen Rückschlagventil und der Drosselbohrung als hydraulisches Bauelement in der Trennwand installiert. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Druckstückeinheit
2 Gehäuse
3 Zylindereinheit
3a Wand
4 Kammer
5 Druckfeder
6 Einstellelement
7 Ausgleichselement
8 Kolben
8a Kopfteil
8b Kolbenteil
8c -
9 Kammer
9a Boden
10 Feder
11 Verbindungskanal
12 Federmechanisches Bauelement [Tellerfeder; Druckfeder] (Überlastsicherung)
13 Hydraulisches Bauelement (Überlastsicherung)
14 Drosselstelle (Überlastsicherung)
15 Nachsaugventil
16 Aufnahme
17 Patrone
17a Bohrung
17b Boden
17c Spalt
18 Spalt
19 Spalt
20 Bohrung
21 Bohrung
22 Dichtelement
23 Verdrehsicherung
24 Verschlusselement
25 Bohrung
26 Gewinde
27 Spannstift

Claims

1. Druckstückeinheit für Zahnstangen-Lenkgetriebe, die in eine Gehäusebohrung des Lenkgetriebegehäuses von Kraftfahrzeugen integriert ist, um das Ritzel mit der Zahnstange im ständigen Eingriff zu halten, bestehend aus einem Zylinderteil, einem Kolbenteil und zweier miteinander korrespondierender, mit Hydraulikmedium gefüllter Kammern, die über ein Nachsaugventil und über eine Drosselstelle miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstückeinheit (1) modular als ein in sich geschlossenes System ausgeführt ist.

2. Druckstückeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass in der Druckstückeinheit (1) zusätzlich eine Überlastsicherung (12; 13) integriert ist.

3. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastsicherung (12; 13) als hydraulisches und/oder federmechanisches Bauelement (12 und/oder 13) ausgebildet ist.

4. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Nachsaugventil (15), Drosselstelle (14) und die hydraulische Überlastsicherung (13) im Kolbenteil (8) integriert sind.

5. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die federmechanische Überlastsicherung (12) zwischen Patrone (17) und Kolben (8) oder zwischen Patrone 17 und Einstellmutter 6 angeordnet ist.

6. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die federmechanische Überlastsicherung (12) einstellbar, beispielhaft als elastischer Sprengring, ausgebildet ist.

7. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kolben (8), Zylinderteil (3), beide Hydraulikkammern (4 und 9) und ein Ausgleichselement (7) in einer Patrone (17) angeordnet sind und die Druckstückeinheit 1 ein in sich geschlossenes System bildet.

8. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstückeinheit (1) durch ein Einstellelement (6) in der Gehäusebohrung des Lenkgetriebegehäuses gehalten wird.

9. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderteil (3) in der Patrone (17) in Axialrichtung bewegbar angeordnet ist.

10. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Patrone (17) in dem Gehäuse (2) in Axialrichtung bewegbar angeordnet ist.

11. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderteil (3) an seiner von der Zahnstange abgewandten Seite im Abstand zur Mantelfläche, der in der Patrone (17) integrierten Bohrung (17a), eine Wand (3a) aufweist, die derart angeordnet ist, dass eine hohlzylinderförmige äußere Kammer (4) und eine zylinderförmige innere Kammer (9) gebildet werden, die in Richtung Zahnstange verschlossen sind.

12. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (9) zahnstangenseitig das Ausgleichselement (7) aufnimmt und der Kolben 8, der durch ein Hydraulikmedium im axialen Abstand zu diesem gehalten wird, die Kammer (9) Richtung Einstellmutter (6) durch sein Kopfteil (8a) abschließt.

13. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderteil (3) eine Zahnstangenaufnahme (16) aufweist.

14. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (7) durch eine als Rückstellelement wirkende Feder (10) in Richtung Kolbenteil (8) kraftbeaufschlagt ist.

15. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindereinheit (3) durch die Feder (5) in Richtung Zahnstangenaufnahme (16) kraftbeaufschlagt ist.

16. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Patrone (17) eine Verschlussschraube (24) als Verschlusselement aufweist.

17. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) der Druckstückeinheit (1) verschleißabhängig nachgestellt wird.

18. Druckstückeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftabstützung als Reaktionskraft korrelierend zu der Aktionskraft erfolgt.