DE4230960A1

DE4230960A1 - Rack and pinion power steering, in particular for motor vehicles

Info

Publication number: DE4230960A1
Application number: DE19924230960
Authority: DE
Inventors: Wilfried Leutner; Helmut Knoedler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1994-03-17
Also published as: WO1994006668A1; EP0659135A1

Abstract

In a rack and pinion servo-assisted steering system, in particular for motor vehicles, a pinion (2) mounted in a steer housing (1) engages a rack (6). For servo-assisted steering, a servo-motor (11) is drivingly linked to the rack (6). The pinion (2) is swivelingly mounted in a fixed bearing (3) and in a loose bearing (4). The axis of a piston valve (26) arranged in the area of the loose bearing (4) is substantially perpendicular to the axis of the pinion (2). The loose bearing (4) is slidably guided perpendicularly to its axis only in the direction of the axis of the piston valve (26) in the steer housing (1). In this rack and pinion servo-assisted steering system, it is not the axial forces acting on the pinion (2) which are used to actuate the control valves, but the transverse forces. Actuation of the control valves is thus independent from the helix angle of the pinion teeth.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangen- Hilfskraftlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einer derartigen Hilfskraftlenkung ist in einem Lenkgehäuse ein Ritzel drehbar gelagert. Eine Zahnstange ist in dem Lenkgehäuse axial verschiebbar geführt und wird durch ein federbelastetes Druckstück in Eingriff mit dem Ritzel gehalten. Zur Hilfskraftunterstützung dient ein Servomotor, der trieblich mit der Zahnstange verbunden ist. Eine Steuereinrichtung für die Steuerung eines Druckmittels zu und von dem Servomotor ist in Abhängigkeit von einer Bewegung des Ritzels verstellbar.The invention relates to a rack Power steering, especially for motor vehicles, according to Preamble of claim 1. In such a Power steering is a pinion rotatable in a steering housing stored. A rack is axial in the steering housing slidably guided and is supported by a spring-loaded Pressure piece held in engagement with the pinion. For Auxiliary assistance is provided by a servomotor that is driving is connected to the rack. A control device for the control of a pressure medium to and from the servo motor is dependent on a movement of the pinion adjustable.

Eine derartige Zahnstangen-Hilfskraftlenkung ist bekannt aus der EP-B1-01 92 641. Bei dieser Ausführung entsteht durch die Schrägverzahnung des Ritzels eine Kraftkomponente auf das Ritzel in axialer Richtung, so daß das Ritzel in axialer Richtung verstellbar ist. Durch diese Axialverschiebung des Ritzels können die Steuerventile verstellt werden.Such an auxiliary power steering system is known from EP-B1-01 92 641. In this embodiment, arises from the helical toothing of the pinion is a force component on the Pinion in the axial direction, so that the pinion in the axial Direction is adjustable. By this axial displacement of the The control valves can be adjusted by Ritzels.

Für eine einwandfreie Funktion der Steuerventile sollte der Schrägungswinkel des Ritzels möglichst über 35 Grad liegen. Dadurch wird die Wahl der Ritzelverzahnung stark eingeschränkt. Die Betätigung der Steuerventile kann dadurch beeinträchtigt werden, daß die Querkräfte, die auf die Zahnstange wirken, sich an dem Ritzel abstützen und so die Reibung für die Axialverschiebung des Ritzels erhöhen können. Die bekannte Zahnstangen-Hilfskraftlenkung läßt sich dann nicht verwenden, wenn im Durchmesserbereich des Ritzelgehäuses nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.For a perfect function of the control valves should the helix angle of the pinion is preferably over 35 degrees lie. This makes the choice of pinion teeth strong limited. This can actuate the control valves are adversely affected by the transverse forces acting on the Rack act, supported on the pinion and so the Can increase friction for the axial displacement of the pinion. The known rack and pinion power steering can then do not use if in the diameter range of the Sprocket housing only a limited space is available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Mängel ohne konstruktiven Mehraufwand zu vermeiden. Insbesondere soll der Einsatz von Ritzeln mit unterschiedlichen Schrägungswinkeln möglich sein, auch mit Schrägungswinkeln, die unter 35 Grad liegen.The invention is based, which Defects described without additional design effort avoid. In particular, the use of pinions should different helix angles may be possible, even with Helix angles that are less than 35 degrees.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Zahnstangen-Hilfskraftlenkung gelöst. Die Lösung erfolgt insbesondere dadurch, daß das Ritzel schwenkbar in einem Festlager und in einem Loslager gelagert ist. Dabei ist die Steuereinrichtung in der Form eines Kolbenventils ausgebildet, das im Bereich des Loslagers angeordnet ist und dessen Achse im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Ritzels steht. Dies bedeutet, daß zur Betätigung des Steuerventils nicht die auf das Ritzel wirkenden Axialkräfte ausgenützt werden, sondern die Querkräfte. Wird nämlich an der Lenkspindel gedreht, so wälzt sich die Verzahnung des Ritzels zunächst in der Verzahnung der noch feststehenden Zahnstange ab und bewegt damit den in dem Loslager geführten Lagerzapfen des Ritzels, so daß das Kolbenventil verstellt wird. Zur Betätigung und Steuerung des Kolbenventils genügen kleine Bewegungen des Ritzels. Durch diese minimalen Steuerwege und die damit zusammenhängenden geringen Bewegungen des Ritzels in seinem Loslager ist es möglich, das Ritzel auf einer Seite, beispielsweise auf der Lenkspindelseite, mit einem Festlager zu lagern. Der Schwenkwinkel des Ritzels ist dann so gering, daß die Schränkung innerhalb der Verzahnung im zulässigen Bereich bleibt. This object is achieved by the in claim 1 marked rack and pinion power steering released. The The solution is in particular that the pinion pivoted in a fixed bearing and in a floating bearing is. The control device is in the form of a Piston valve formed in the area of the floating bearing is arranged and its axis is substantially perpendicular to the axis of the pinion. This means that for Actuation of the control valve not on the pinion acting axial forces are used, but the Lateral forces. If you turn the steering shaft, it will roll the toothing of the pinion is initially in the toothing the still fixed rack and moves the in the floating bearing of the pinion, so that the Piston valve is adjusted. To operate and control the Small movements of the pinion are sufficient for the piston valve. By these minimal control routes and the related ones it is slight movements of the pinion in its floating bearing possible, the pinion on one side, for example on the Steering spindle side, to be stored with a fixed bearing. Of the Swivel angle of the pinion is then so small that the Set within the toothing in the permissible range remains.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Merkmalskombinationen der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.Appropriate and advantageous embodiments of the Invention are specified in the subclaims. The However, the invention is not based on the combinations of features Claims limited. There are more for the person skilled in the art reasonable combinations of claims and individual claim characteristics from the task.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigtIn the following the invention is based on one in the Drawing illustrated embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Zahnstangen-Hilfskraftlenkung; Fig. 1 shows a longitudinal section through the rack and pinion power steering system;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Zahnstangen- Hilfskraftlenkung der Fig. 1 im Bereich des Ritzels; FIG. 2 shows a partial cross section through the power assisted steering of FIG. 1 in the region of the pinion;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnstangen-Hilfskraftlenkung mit geschwindigkeitsabhängiger Rückwirkungskraft. Fig. 3 shows a longitudinal section through a power steering system according to the invention with speed-dependent reaction force.

In einem Lenkgehäuse 1 ist ein Ritzel 2 in zwei Lagern 3 und 4 drehbar gelagert. Das Ritzel 2 trägt an seinem einen Ende einen Lenkspindelanschluß 5 für den Anschluß an ein Lenkorgan, beispielsweise eine nicht dargestellte Lenkspindel mit einem Lenkhandrad. Eines der Lager, vorzugsweise das Lager 3, das in der Nähe des Lenkspindelanschlusses 5 liegt, ist als Festlager ausgebildet. Das andere Lager, vorzugsweise das Lager 4, das dem Lenkspindelanschluß 5 abgewandt ist, ist als Loslager ausgebildet.In a steering housing 1 , a pinion 2 is rotatably mounted in two bearings 3 and 4 . The pinion 2 carries at one end a steering spindle connection 5 for connection to a steering element, for example a steering spindle (not shown) with a steering handwheel. One of the bearings, preferably the bearing 3 , which is located in the vicinity of the steering spindle connection 5 , is designed as a fixed bearing. The other bearing, preferably the bearing 4 , which faces away from the steering spindle connection 5 , is designed as a floating bearing.

Das Ritzel 2 steht über seine Verzahnung in Eingriff mit einer Zahnstange 6, die in dem Lenkgehäuse 1 axial verschiebbar geführt ist. Die Zahnstange 6 wird mit Hilfe eines federbelasteten Druckstückes 7 in bekannter Weise gegen die Verzahnung des Ritzels 2 gedrückt. Das Ritzel 2 stützt sich an seiner einen Seite in dem Festlager 3 und an seiner anderen Seite über das Loslager 4 in dem Lenkgehäuse 1 ab. Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Außenring 8 des Loslagers 4 und dem Lenkgehäuse 1 ein Druckplättchen 10, das fest mit dem Lenkgehäuse 1 verbunden ist. Das Druckplättchen 10 dient dazu, eine reibungsarme und verschleißarme Bewegung des Loslagers 4 zu ermöglichen. Der Außenring 8 des Loslagers 4 kann auf dem Druckplättchen 10 abrollen. Da die Bewegung des unteren Teiles des Ritzels 2 und des Loslagers 4 jedoch klein ist, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung erklärt werden wird, kann man gegebenenfalls auf das Druckplättchen 10 verzichten.The pinion 2 is in engagement with a toothed rack 6 , which is guided axially displaceably in the steering housing 1 . The rack 6 is pressed in a known manner against the teeth of the pinion 2 by means of a spring-loaded pressure piece 7 . The pinion 2 is supported on one side in the fixed bearing 3 and on the other side via the floating bearing 4 in the steering housing 1 . There is preferably a pressure plate 10 between the outer ring 8 of the floating bearing 4 and the steering housing 1 , which is firmly connected to the steering housing 1 . The pressure plate 10 serves to enable a low-friction and low-wear movement of the floating bearing 4 . The outer ring 8 of the floating bearing 4 can roll on the pressure plate 10 . However, since the movement of the lower part of the pinion 2 and the floating bearing 4 is small, as will be explained in the further course of the description, the pressure plate 10 can optionally be dispensed with.

Zur Hilfskraftunterstützung dient ein Servomotor 11, dessen Kolbenstange 12 fest mit der Zahnstange 6 verbunden ist. Der Servomotor 11 enthält zwei Zylinderräume 13 und 14, die über Arbeitsleitungen 15 und 16 mit zwei Zylinderanschlüssen 17 und 18 einer Steuereinrichtung 20 verbunden sind. Die Steuereinrichtung 20 weist außerdem noch einen Zulaufanschluß 21 auf, an den eine Servopumpe 22 angeschlossen ist. An zwei Rücklaufanschlüssen 23 und 24 ist ein Behälter 25 angeschlossen.A servo motor 11 is used for auxiliary power support, the piston rod 12 of which is firmly connected to the rack 6 . The servo motor 11 contains two cylinder spaces 13 and 14 , which are connected via working lines 15 and 16 to two cylinder connections 17 and 18 of a control device 20 . The control device 20 also has an inlet connection 21 to which a servo pump 22 is connected. A container 25 is connected to two return connections 23 and 24 .

Die Steuereinrichtung 20 enthält ein Kolbenventil 26, dessen Achse im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Ritzels 2 steht. Das Kolbenventil 26 ist im Bereich des Loslagers 4 angeordnet.The control device 20 contains a piston valve 26 , the axis of which is substantially perpendicular to the axis of the pinion 2 . The piston valve 26 is arranged in the area of the floating bearing 4 .

Das Kolbenventil 26 enthält einen Kolben 27, der in einer Bohrung 28 des Lenkgehäuses 1 verschiebbar angeordnet und durch zwei Federn 30 und 31 in seiner Mittenstellung zentriert ist. The piston valve 26 contains a piston 27 which is arranged displaceably in a bore 28 of the steering housing 1 and is centered in its central position by two springs 30 and 31 .

Die Mitnahme des Kolbens 27 erfolgt über eine zapfenartige Verlängerung 32 des Ritzels 2, die ein balliges oder kugeliges Ende aufweist und in eine Ausnehmung 33 des Kolbens 27 eingreift. In dem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 33 als Bohrung in dem Kolben 27 ausgeführt.The piston 27 is entrained via a pin-like extension 32 of the pinion 2 , which has a spherical or spherical end and engages in a recess 33 in the piston 27 . In the exemplary embodiment, the recess 33 is designed as a bore in the piston 27 .

Das Kolbenventil 26 weist an seinem Kolben 27 Steuernuten 34 mit Steuerkanten auf, die in bekannter Weise mit Steuernuten 35 der Bohrung 28 zusammenwirken und in bekannter Weise an die Zylinderanschlüsse 17 und 18, den Zulaufanschluß 21 und die Rücklaufanschlüsse 23 und 24 angeschlossen sind. Die Steuernuten 34 und 35 liegen alle auf einer Seite der Ausnehmung 33. Dadurch kann das Kolbenventil 26 sehr raumsparend ausgebildet sein.The piston valve 26 has on its piston 27 control grooves 34 with control edges, which cooperate in a known manner with control grooves 35 of the bore 28 and are connected in a known manner to the cylinder connections 17 and 18 , the inlet connection 21 and the return connections 23 and 24 . The control grooves 34 and 35 are all on one side of the recess 33 . As a result, the piston valve 26 can be designed to be very space-saving.

Durch zwei Dichtungen 36 und 37 wird der Kolben 27 in der Bohrung 28 derart abgedichtet, daß das über das Kolbenventil 26 zu und von dem Servomotor 11 gesteuerte Druckmittel auf den Bereich der Steuernuten 34 und 35 beschränkt bleibt. Dies hat den Vorteil, daß der Leichtmetallguß der Lenkung nur im Bereich des Kolbens 27 und des Servomotors 11 druckdicht sein muß.The piston 27 is sealed in the bore 28 by two seals 36 and 37 in such a way that the pressure medium controlled by the piston valve 26 to and from the servo motor 11 remains restricted to the area of the control grooves 34 and 35 . This has the advantage that the light metal casting of the steering only has to be pressure-tight in the area of the piston 27 and the servo motor 11 .

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann die Rückwirkungskraft in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit variiert werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the reaction force can be varied depending on the driving speed.

Mit Hilfe zweier Rückschlagventile 38, 40 kann der Zylinderdruck auf zwei Kolbenräume 41, 42 des Kolbenventils 26 wirken. Über je eine Blende 43, 44, ein Abschneidventil 45 und eine in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit elektrisch verstellbare Blende 46 kann das Drucköl zum Tank gelangen. In dem Abschneidventil 45 ist ein federbelasteter Kolben verschiebbar angeordnet, auf den auf der einen Seite der Pumpendruck, auf der anderen Seite der verminderte Zylinderdruck wirkt. With the help of two check valves 38 , 40 , the cylinder pressure can act on two piston chambers 41 , 42 of the piston valve 26 . The pressure oil can reach the tank via an orifice 43 , 44 , a cut-off valve 45 and an orifice 46 which is electrically adjustable depending on the driving speed. A spring-loaded piston is displaceably arranged in the cut-off valve 45 , on which the pump pressure acts on one side and the reduced cylinder pressure acts on the other side.

Im folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Zahnstangen-Hilfskraftlenkung beschrieben: Wird durch eine Drehung des nicht dargestellten Lenkhandrades das Ritzel 2 beispielsweise im Sinne einer Rechtslenkung gedreht, so wälzt sich die Verzahnung des Ritzels 2 zunächst in der Verzahnung der momentan noch feststehenden Zahnstange 6 ab. Dadurch wird das Ritzel 2 um das Festlager 3 um einen geringen Winkel geschwenkt. Das Loslager 4 wird nach links verschoben. Diese Bewegung wird über die Verlängerung 32 des Ritzels 2 und die Ausnehmung 33 auf den Kolben 27 übertragen. Je nach der Größe des am Ritzel 2 eingeleiteten Moments verschiebt sich der Kolben 27 gegen die Kraft der Feder 30 nach links. Damit wird an den Steuernuten 34 und 35 ein Druck angeregelt, der sich in dem Zylinderraum 13 fortpflanzt und die Zahnstange 6 entsprechend der Bewegung an dem Lenkhandrad nach rechts verschiebt.The function of the power assisted rack and pinion steering system according to the invention is described below: If the pinion 2 is rotated, for example in the sense of right-hand steering, by rotating the steering handwheel (not shown), the toothing of the pinion 2 initially rolls in the toothing of the currently stationary rack 6 . As a result, the pinion 2 is pivoted about the fixed bearing 3 by a small angle. The floating bearing 4 is shifted to the left. This movement is transmitted to the piston 27 via the extension 32 of the pinion 2 and the recess 33 . Depending on the magnitude of the torque introduced on the pinion 2 , the piston 27 moves to the left against the force of the spring 30 . A pressure is thus regulated at the control grooves 34 and 35 , which propagates in the cylinder space 13 and shifts the rack 6 to the right in accordance with the movement on the steering handwheel.

In der Ausführung nach Fig. 3 steht der Zylinderdruck des linken Zylinderraumes 13 auch in dem Kolbenraum 41 an. Über die Blenden 43 und 46 wird der Druck zum Tank abgebaut, so daß, je nach Öffnung der Blende 46, ein Teil des Zylinderdrucks im Kolbenraum 42 ansteht. Die Druckdifferenz in den Kolbenräumen 41 und 42 bewirkt eine Kraft, die dem Lenkmoment entgegenwirkt. Übersteigt die Differenz zwischen Pumpendruck (= Zylinderdruck) und Druck im Kolbenraum 42 die Federbelastung des Kolbens des Abschneidventils 45, so wird der Differenzdruck durch das Abschneidventil 45 auf diese Differenz begrenzt.In the embodiment of FIG. 3, the cylinder pressure of the left cylinder chamber 13 in the piston space 41 is present. The pressure to the tank is reduced via the orifices 43 and 46 , so that, depending on the opening of the orifice 46 , part of the cylinder pressure is present in the piston chamber 42 . The pressure difference in the piston chambers 41 and 42 causes a force that counteracts the steering torque. If the difference between the pump pressure (= cylinder pressure) and the pressure in the piston chamber 42 exceeds the spring loading of the piston of the cut-off valve 45 , then the cut-off valve 45 limits the differential pressure to this difference.

Da die Steuernuten 34 und 35 symmetrisch zueinander aufgebaut sind, ergibt sich bei entgegengesetzter Drehrichtung des Lenkhandrades ein entsprechender Funktionsablauf.Since the control grooves 34 and 35 are constructed symmetrically to one another, a corresponding functional sequence results when the steering handwheel is in the opposite direction of rotation.

BezugszeichenReference numerals

1 Lenkgehäuse
2 Ritzel
3 Lager (Festlager)
4 Lager (Loslager)
5 Lenkspindelanschluß
6 Zahnstange
7 Druckstück
8 Außenring
9 -
10 Druckplättchen
11 Servomotor
12 Kolbenstange
13 Zylinderraum
14 Zylinderraum
15 Arbeitsleitung
16 Arbeitsleitung
17 Zylinderanschluß
18 Zylinderanschluß
19 -
20 Steuereinrichtung
21 Zulaufanschluß
22 Servopumpe
23 Rücklaufanschluß
24 Rücklaufanschluß
25 Behälter
26 Kolbenventil
27 Kolben
28 Bohrung
29 -
30 Feder
31 Feder
32 Verlängerung
33 Ausnehmung
34 Steuernut
35 Steuernut
36 Dichtung
37 Dichtung
38 Rückschlagventil
39 -
40 Rückschlagventil
41 Kolbenraum
42 Kolbenraum
43 Blende
44 Blende
45 Abschneidventil
46 elektrisch verstellbare Blende 1 steering housing
2 sprockets
3 bearings (fixed bearings)
4 bearings (floating bearings)
5 steering spindle connection
6 rack
7 pressure piece
8 outer ring
9 -
10 printing plates
11 servo motor
12 piston rod
13 cylinder space
14 cylinder space
15 work management
16 work management
17 cylinder connection
18 cylinder connection
19 -
20 control device
21 inlet connection
22 servo pump
23 return connection
24 return connection
25 containers
26 piston valve
27 pistons
28 hole
29 -
30 feather
31 spring
32 extension
33 recess
34 control groove
35 tax groove
36 seal
37 seal
38 check valve
39 -
40 check valve
41 piston chamber
42 piston chamber
43 aperture
44 aperture
45 cut-off valve
46 electrically adjustable cover

Claims

1. Power assisted rack and pinion steering, especially for
Motor vehicles with the following characteristics:

- A pinion ( 2 ) is rotatably mounted in a steering housing ( 1 ),
a toothed rack ( 6 ) which is axially displaceably guided in the steering housing ( 1 ) is held in engagement with the pinion ( 2 ) by a spring-loaded pressure piece ( 7 ),
- A servo motor ( 11 ) is connected to the rack ( 6 ) for auxiliary power support,
a control device ( 20 ) for controlling a pressure medium to and from the servo motor ( 11 ) can be adjusted as a function of a movement of the pinion ( 2 ),

characterized by the following features:

- The pinion ( 2 ) is pivotally mounted in a fixed bearing ( 3 ) and in a floating bearing ( 4 ),
- In the area of the floating bearing ( 4 ), the control device ( 20 ) is designed in the form of a piston valve ( 26 ), the axis of which is essentially perpendicular to the axis of the pinion ( 2 );
- The piston valve ( 26 ) can be actuated by the pivoting movement of the pinion ( 2 ).

2. power assisted rack and pinion steering according to claim 1, characterized in that the floating bearing ( 4 ) perpendicular to its axis only in the direction of the axis of the piston valve ( 26 ) is displaceable and on its side opposite the pressure piece ( 7 ) in the steering housing ( 1 ) is guided.

3. power assisted rack and pinion steering according to claim 2, characterized in that the piston ( 27 ) of the piston valve ( 26 ) by springs ( 30 , 31 ) is centered in its central position.

4. power assisted rack and pinion steering according to claim 2, characterized in that the pinion ( 2 ) has a pin-like extension ( 32 ) with a spherical or spherical end, which engages in a recess ( 33 ) of the piston ( 27 ).

5. power assisted rack and pinion steering according to claim 4, characterized in that the piston valve ( 26 ) has control grooves ( 34 , 35 ) with control edges, which are all on one side of the recess ( 33 ).

6. power assisted rack and pinion steering according to claim 3, characterized in that the piston ( 27 ) by seals ( 36 , 37 ) is sealed such that the pressure medium remains limited to the area of the control grooves ( 34 , 35 ).

7. power assisted rack and pinion steering according to claim 1, characterized in that part of the pressure is directed to the end faces of the piston ( 27 ) that the reaction force generated counteracts the steering torque.

8. power assisted rack and pinion steering according to claim 7, characterized in that the proportion of the pressure at least depending on the Driving speed is varied.