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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Zahnstangenlenkung für
Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Elektrische
Lenkvorrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind,
weisen eine Eingangswelle auf, die mit einem Lenkhandrad in Wirkverbindung
steht und die zur Übertragung eines für das Lenken
von zu lenkenden Rädern erforderlichen Drehmomentes dient.
Ein Ausgangsglied steht mit den zu lenkenden Rädern in
Wirkverbindung. Ein Elektromotor, durch den direkt oder indirekt
eine Hilfskraft auf das Ausgangsglied ausgeübt werden kann,
ist an der Hilfskraftlenkung angeordnet. Die Eingangswelle und das
Ausgangsglied sind über ein drehelastisches Glied derart
miteinander verbunden, dass zwischen der Eingangswelle und dem Ausgangsglied
eine begrenzte Verdrehbewegung möglich ist. Bei Lenkvorrichtungen
mit Zahnstangengetriebe ist das Ausgangsglied als Antriebsritzel
ausgebildet und steht über eine Zahnstange mit den lenkbaren
Rädern eines Kraftfahrzeuges in Wirkverbindung.
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In
der
DE 197 52 075
A1 steht die Zahnstange über ein als Schneckengetriebe
ausgebildetes Untersetzungsgetriebe mit einem als Elektromotor ausgeführten
Servomotor in Wirkverbindung. Das Ausgangsglied ist über
das Schneckengetriebe mit einem Elektromotor verbunden. Das Schneckenradgetriebe
besteht aus einer in einem Gehäuse gelagerten Schnecke
und einem mit der Lenksäule verbundenen Schneckenrad.
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In
der
DE 102004059461
A1 ist ein Elektromotor parallel zur Lenksäule
angeordnet. Die auf der Motorwelle des Motors und auf der Lenksäule
angeordneten Riemenscheiben sind durch einen Zahnriemen miteinander
verbunden. Um ein hohes Untersetzungsverhältnis zu realisieren,
kann zwischen der Motorwelle und der Lenksäule mindestens
eine weitere Welle mit einer Riemenscheibe parallel angeordnet werden,
welche mit den anderen Wellen durch Riemen verbunden ist. Auf diese
Weise kann ein mehrstufiges Riemengetriebe verwirklicht werden.
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Die
EP 1457405 B1 offenbart
eine Servolenkung bei der ein Elektromotor parallel zu einer Schubstange
angeordnet ist. Die Schubstange dient zum Auslenken der Fahrzeugräder.
Die Ausgangswelle des Elektromotors und die Schubstange weisen jeweils
eine Riemenscheibe auf und sind mittels eines Riemens antriebsmäßig
verbunden.
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Die
EP 1415890 B1 beschreibt
wie solche zuvor genannten Getrieberäder über
ein drehmomentbegrenztes Reibschlusselement in Form eines mäanderförmigen
Spannrings auf einer Abtriebswelle angeordnet sind. Die Abstützung
des Getrieberades erfolgt über reibungsarme Lager, so dass
konstruktiv die Höhe des Einbauraumes für den
Spannring festgelegt ist. Damit ist die notwendige Auslösesicherheit
zur Vermeidung von Überlastungen gewährleistet,
ungeachtet dessen, ob diese vom Servomotor ausgehen oder über
das von Hand eingegebene Lenkmoment bedingt sind, beispielsweise
bei Ausfall des Servomotors oder Blockade eines Antriebsgliedes
in der Verbindung vom Servomotor zur Lenkwelle oder Zahnstange,
da in jedem Fall die Lenkfähigkeit des Fahrzeuges erhalten
bleiben muss. Der Einbauraum liegt zwischen den reibungsarmen Lagern,
wodurch über die axiale Länge des Spannringes
gleiche Abstützverhältnisse gewährleistet
werden können. Der Spannring weist einen metallischen Ringkörper
auf, welcher eine Mehrzahl von halbzylindrischen Vorsprüngen
hat, welche monolytisch an dem Ringkörper ausgebildet sind.
Die Vorsprünge sind in einer Reihe längs der Umfangsrichtung
in regelmäßigen Intervallen angeordnet, und stehen
radial von dem Ringkörper nach außen vor. Das
mit diesem System einer Überlastsicherung maximal übertragbare
Moment ist abhängig von den Reibstellen des Spannrings.
In Zukunft müssen aber wesentlich höhere Lenkkräfte übertragen
werden. Dies ist hier nicht ohne eine Vergrößerung
des Bauraums möglich. Zudem ist die Herstellung dieses Systems
recht aufwändig, da die Nabe des Getrieberades zunächst
gehärtet und anschließend gehont werden muss um
die erforderliche Oberflächenqualität zu erreichen.
Weiterhin sind zwei zusätzliche Bauteile, nämlich
die Nadellager, vorgesehen, für die in der Welle jeweils
eine Nut eingearbeitet werden muss. Ein weiterer Funktionsnachteil
besteht darin, dass das Auslösemoment eine große
Streuung aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlastsicherung
für ein Getrieberad einer elektrischen Zahnstangenlenkung
anzugeben, welche zum Einen höhere Momente übertragen
kann und zum Anderen einen einfacheren Aufbau aufweist sowie in
der Herstellung kostengünstiger ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 offenbarte elektrische Zahnstangenlenkung
mit einer Überlastsicherung gelöst.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Verwendung einer Überlastsicherung,
bei der die Anzahl der Reibstellen erhöht sind, beispielsweise
indem der Spannring der Überlastsicherung zwei Reihen von
Vorsprüngen aufweist, die in axialer Richtung voneinander
beabstandet sind. Es ist auch möglich, zwei Spannringe
mit jeweils einer Reihe Vorsprünge nebeneinander anzuordnen.
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Die
Last wird dadurch gleichmäßiger auf die Nabenfläche
verteilt. Damit ist die Pressung geringer, wodurch der Härteprozess
an der Nabe entfallen kann.
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Ebenso
sind zusätzliche Lager nicht mehr notwendig. Stattdessen
reicht es, das Getrieberad auf zwei Durchmessern auf der Welle zu
führen.
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Da
die Nabe nicht gehärtet ist, kann sich der Ring nun geringfügig
in die Nabe eingraben. Dies bewirkt, dass der Spannring am Innendurchmesser bzw.
auf der Welle durchrutscht. Damit ist eindeutig definiert, wo der
Spannring durchrutscht, wodurch die Toleranzbreite des Auslösemomentes
verkleinert werden kann. Da sich die der Spannring in die Nabe eingräbt,
sind die Anforderungen an die Oberfläche der Nabe geringer.
Auf das Honen kann damit verzichtet werden.
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Zweckmäßige
und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
2 und 4 angegeben.
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Es
ist möglich, zwei Spannringe mit jeweils einer Reihe Vorsprünge
zu verwenden. Vorzugsweise wird aber ein etwas breiterer Spannring
mit zwei in axialer Richtung beabstandeter Reihen mit Vorsprüngen
genutzt um die Herstellung des Lenkungsbauteils zu vereinfachen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung einer Ausgestaltung einer elektrischen
Zahnstangenlenkung für Fahrzeuge, die mit unabhängiger
Krafteinleitung auf die Zahnstange einerseits über Lenkrad
und Lenkwelle mit nachgeordnetem Lenkgetriebe und andererseits über
eine Servoeinheit arbeitet,
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2 eine
weitere Ausgestaltung einer elektrischen Zahnstangenlenkung, bei
der die Servoeinheit auf die in der Verbindung zwischen Lenkrad
und Lenkgetriebe liegende Lenkwelle aufgeschaltet ist,
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3 eine
schematisierte Schnittdarstellung des zahnstangenseitigen Abtriebsgliedes
in Form eines Ritzels, das mit der Zahnstange kämmt und
eines als Schneckenrad ausgebildeten Antriebsgliedes, das mit dem
Abtriebsglied über ein drehmomentbegrenzendes Reibschlusselement
verbunden ist, und
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4 eine
Schnittdarstellung des das Drehmoment begrenzenden Reibschlusselementes.
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Die 1 und 2 zeigen
im Grundaufbau verschiedene Ausgestaltungen von elektrischen Fahrzeuglenkungen 1 bzw. 2.
Bei einer elektrischen Fahrzeug-Servolenkung 1 gemäß 1 ist
eine Lenkeinheit 3 bezüglich ihres Lenkgetriebes 4 und
ihrer Lenkwelle 5 gezeigt, nicht aber das in Verbindung
zur Lenkwelle 5 stehende Lenkrad, über das fahrerseitig das
Lenkmoment eingegeben wird. Das Lenkgetriebe 4 arbeitet
in üblicher Weise über ein nicht dargestelltes
Ritzel auf eine Zahnstange 6. Ergänzend ist der
Fahrzeug-Servolenkung 1 gemäß 1 eine Servoeinheit 7 zugeordnet,
die einen Servomotor 8 umfasst, der, wie nur schematisch
veranschaulicht, über eine Schnecke 9 ein Antriebsglied 10 in
Form eines Schneckenrades 11 beaufschlagt, das mit einem Abtriebsglied 12 in
Form eines Ritzels 13 verbunden ist, das mit der Zahnstange 6 zusammenwirkt.
In 1 sind bezüglich des Antriebsgliedes 10 wie auch
des Abtriebsgliedes 12 nur die zugehörigen Gehäuse 14 bzw. 15 angedeutet.
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Während
bei der Fahrzeug-Servolenkung 1 gemäß 1 die
Servoeinheit 7 unmittelbar auf die Zahnstange 6 arbeitet,
somit die Lenkeinheit 3 zur Servoeinheit 7 bezüglich
der Verbindung zur Zahnstange 6 getrennte Einheiten bilden,
ist bei der Fahrzeug-Servolenkung 2 gemäß 2 die
Servoeinheit 16 der Lenkwelle 17 zugeordnet, die
mit dem nicht gezeigten Lenkrad, wie schon zu 1 erläutert,
verbunden ist. Die Lenkwelle 17 steht mit dem nicht gezeigten
Lenkgetriebe über eine weiterführende gelenkige
Wellenverbindung 18 in Verbindung, in Analogie zur Anordnung
gemäß 1. Die Servoeinheit 16 umfasst
wiederum einen Servomotor 19, der mit einem Antriebsglied
verbunden ist, das koaxial zur Lenkwelle 17 liegt, die
in diesem Fall auch das Abtriebsglied der Servoeinheit 16 bildet,
so dass die Wellenverbindung 18 sowohl das von Hand aufgegebene
Lenkmoment wie auch das servomotorisch aufgebrachte Lenkmoment zum
nachfolgenden Lenkgetriebe, und über dieses auf die Zahnstange 6 überträgt.
Bezüglich des Antriebsgliedes, das koaxial zur Lenkwelle 17 sitzt,
ist wieder nur das zugehörige Gehäuse 20 sichtbar
und die Verbindung des Antriebsgliedes zur Lenkwelle ist analog
zu 3 gestaltet, wobei die Lenkwelle 17 in
ihrem das als Schneckenrad ausgebildete Antriebsglied tragenden
Bereich der Ritzelwelle 13 gemäß 3 entsprechend
ausgebildet ist.
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3 veranschaulicht,
das das Schneckenrad 11 in seinem äußeren
Umfangsbereich einen auf die Schneckenwelle abgestimmten Zahnkranz 21 trägt
und radial innen zur Ritzelwelle durch zwei Führungsdurchmesser 22, 23 und
einen Spannring 24 abgestützt ist. Das Ritzel 13 weist
einen angedeuteten Verzahnungsbereich 25 auf, in dem es
mit der Zahnstange 6 kämmt und radial abgesetzt
eine Schulter 30 für das Schneckenrad 11,
das in Gegenrichtung über einen Haltering 31 axial
abgesichert ist.
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Zwischen
den Führungsdurchmessern 22, 23 liegt
der Einbauraum 32 für ein drehmomentbegrenzendes
Reibschlusselement in Form mindestens eines Spannringes 24,
der, wie in 4 dargestellt, als offener Ringkörper
mit nach radial außen ausgeprägten über
den längsmittleren Bereich axial verlaufenden Vorsprüngen 35 gestaltet
ist.
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Der
Spannring 24 bildet aufgrund der nahezu reibungsfreien
Abstützung des Nabenteiles 27 des Schneckenrades 11 gegen
das Wellenteil 29 des Ritzels 13 über
die Führungsdurchmesser 22, 23 praktisch
das alleinige, drehmomentübertragende und drehmomentbegrenzende
Reibschlusselement.
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Die
Höhe des Einbauraumes 32 ist, abgesehen von kleinen
Fertigungstoleranzen, auch in der Serienfertigung nahezu gleich
bleibend, so dass über das drehmomentbegrenzende Reibschlusselement in
Form des Spannringes 24 in sehr engen Grenzen das Grenzdrehmoment
festgelegt werden kann, bei dem die normalerweise starre Antriebsverbindung unterbrochen
wird und das Schneckenrad 11 gegenüber dem Ritzel 13 durchdreht
und damit Überlastungen in der Anschlussverbindung zum
Servormotor 7 ebenso ausschließt wie eine Blockade
des von Hand zu übertragenden Lenkmomentes bei einem etwaigen
Ausfall des Servomotors oder Störungen in der Antriebsverbindung
zu diesem.
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Im
Hinblick auf die Verbindung zwischen dem Nabenteil 27 und
dem Wellenteil 29 erweist es sich als zweckmäßig,
wenn der Einbauraum 32 aufgeteilt ist auf eine Aussparung
im Wellenteil 29 und eine Aussparung im Nabenteil 27.
Die Aufteilung des Einbauraumes 32 in zwei radial einander
gegenüberliegende Ausformungsbereiche macht es auch möglich,
den Spannring 24 im radial gegenüberliegenden Bereich über
die Randzonen 34 axial abzustützen oder auch zu
verspannen, womit gegebenenfalls der Spannring 24 in seiner
Härte bzw. in seinem elastischen Verhalten bezogen auf
die jeweiligen Anforderungen abgestimmt werden kann.
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4 zeigt
einen Spannring. Er weist einen metallischen Ringkörper
auf, welcher eine Mehrzahl von halbzylindrischen Vorsprüngen
hat, welche monolytisch an dem Ringkörper ausgebildet sind.
Die Vorsprünge sind in zwei Reihen längs der Umfangsrichtung
in regelmäßigen Intervallen angeordnet, und stehen
radial von dem Ringkörper nach außen vor.
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- 1
- Fahrzeug-Servolenkung
- 2
- Fahrzeug-Servolenkung
- 3
- Lenkeinheit
- 4
- Lenkgetriebe
- 5
- Lenkwelle
- 6
- Zahnstange
- 7
- Servoeinheit
- 8
- Servomotor
- 9
- Schnecke
- 10
- Antriebsglied
- 11
- Schneckenrad
- 12
- Abtriebsglied
- 13
- Ritzel
- 14
- Gehäuse
- 15
- Gehäuse
- 16
- Servoeinheit
- 17
- Lenkwelle
- 18
- Wellenverbindung
- 19
- Servomotor
- 20
- Gehäuse
- 21
- Zahnkranz
- 22
- Führungsdurchmesser
- 23
- Führungsdurchmesser
- 24
- Spannring
- 25
- Verzahnungsbereich
- 27
- Nabenteil
- 29
- Wellenteil
- 30
- Schulter
- 31
- Haltering
- 32
- Einbauraum
- 35
- Vorsprünge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19752075
A1 [0003]
- - DE 102004059461 A1 [0004]
- - EP 1457405 B1 [0005]
- - EP 1415890 B1 [0006]