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Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere für eine Kraftfahrzeuglenkung, umfassend ein erstes Gelenkteil, das in Richtung einer Längsachse verschieblich geführt ist, und ein zweites Gelenkteil, das mit dem ersten Gelenkteil schwenkbar verbunden ist, wobei ein Drehpunkt des Kugelgelenks bezüglich der Längsachse radial versetzt angeordnet ist.
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Üblicherweise erfolgt die Übertragung einer manuellen, elektrischen oder hydraulischen Lenkkraft an lenkbare Räder eines Kraftfahrzeugs durch Kugelgelenke. Bei einer Zahnstangenlenkung ist zum Beispiel die Spurstange über ein Kugelgelenk schwenkbar mit der Zahnstange verbunden, wobei ein erstes Gelenkteil an der Zahnstange und ein zweites Gelenkteil an der Spurstange befestigt ist.
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Die Möglichkeiten, eine Lenkung innerhalb des Kraftfahrzeugs anzuordnen, sind in der Regel stark eingeschränkt, da sich in der unmittelbaren Umgebung der Lenkung zahlreiche andere Bauteile wie Motor, Aufhängung oder Getriebeteile befinden. Im Übrigen sind auch lenkkinematische Gesichtspunkte zu berücksichtigen, was die Positionierung der verschiedenen Lenkungselemente weiter erschwert.
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Um eine kompakte Anordnung der Aufhängungskomponenten relativ zu den Motor- und Getriebekomponenten im Motorraum zu ermöglichen, wird in der
DE 10 2007 020 069 A1 bereits ein Lenksystem mit einer Zahnstange und zwei Spurstangen vorgeschlagen, bei dem die Spurstangenachsen jeweils versetzt zur Zahnstangenachse angeordnet sind.
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In der gattungsbildenden
DE 44 22 559 A1 ist eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, bei der die Zahnstange und die Spurstange über ein Kugelgelenk verbunden sind, wobei das Drehzentrum des Kugelgelenks gegenüber einer Mittellängsachse der Zahnstange seitwärts versetzt an einem Radialfortsatz der Zahnstange angeordnet ist.
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Ferner beschreibt die
DE 36 31 592 C2 ein symmetrisches Kugelgelenk, das an der Zahnstange eines Zahnstangengetriebes angeordnet ist, wobei ein erstes Gelenkteil schräg zu einer Zahnstangenachse in die Zahnstange eingeschraubt ist, so dass ein mit dem ersten Gelenkteil zusammenwirkendes zweites Gelenkteil in einer Gelenkmittellage mit der Zahnstangenachse einen definierten Winkel bildet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein preiswertes, gewichtsoptimiertes Kugelgelenk zu schaffen, das einfach herstellbar ist und mit geringem Aufwand an vorgegebene Einbaubedingungen angepasst werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk schließt die Längsachse, entlang der das erste Gelenkteil verschoben werden kann, mit einer Gelenkachse einen Winkel größer 0° ein. Dies wirkt sich in Verbindung mit dem Radialversatz, der zwischen dem Drehpunkt des Kugelgelenks und einer Längsachse eines Elements vorgesehen ist, sowohl vorteilhaft auf die Kugelgelenkfertigung als auch auf die Anpassungsfähigkeit des Kugelgelenks an vorgegebene Einbaubedingungen aus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind als Gelenkteile ein Gelenkkopf und eine Gelenkpfanne vorgesehen, wobei sich ein Schaftabschnitt des Gelenkkopfes durch eine Öffnung der Gelenkpfanne erstreckt und wobei die Gelenkachse durch den Drehpunkt des Kugelgelenks und das Zentrum der Öffnung definiert ist.
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Dabei kann die Öffnung vorzugsweise eine im Wesentlichen kreisrunde Form annehmen und das Kugelgelenk bezüglich der Gelenkachse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Hierdurch lässt sich das Kugelgelenk besonders einfach und kostengünstig herstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Gelenkteil im Wesentlichen starr mit einer Zahnstange verbunden. Das erste Gelenkteil ist in dieser Ausführungsform bevorzugt mittels eines Versatzstücks an einem axialen Ende der Zahnstange drehfest und unverschieblich befestigt . Dieses Versatzstück ermöglicht eine einfache Anpassung des Kugelgelenks an vorgegebene, geometrische Randbedingungen, ohne dass Änderungen an der Zahnstange vorgenommen werden müssen. Das Anschlussdetail zwischen dem Versatzstück und der Zahnstange ist im Wesentlichen unabhängig von der konkreten Ausführung des Kugelgelenks und kann daher für alle Gelenkvarianten identisch, vorzugsweise mit minimaler Anschlussbelastung und geringer Zahnstangenschwächung ausgeführt sein.
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Das erste Gelenkteil des Kugelgelenks ist bevorzugt eine Gelenkpfanne.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das zweite Gelenkteil einstückig mit einer Spurstange ausgebildet sein. Dadurch wird die Anzahl der Einzelbauteile reduziert und der Zusammenbau der Lenkung vereinfacht. Hierbei kann das zweite Gelenkteil insbesondere ein Gelenkkopf sein.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Winkel, den die Längsachse mit der Gelenkachse einschließt, in der Größenordnung von etwa 8° bis 20° liegen. Des Weiteren kann der Drehpunkt des Kugelgelenks von einer Längsachse der Zahnstange etwa 20 - 70 mm, insbesondere 50 mm radial beabstandet sein. Hierdurch ist ein störungsfreier Einbau des Kugelgelenks bei einem Fahrzeug in Anpassung an die Fahrzeug- und Fahrwerkgeometrie gewährleistet. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Maße rein beispielhaft und ohne Einschränkung zu verstehen sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Zahnstange, die in Richtung einer Zahnstangen-Längsachse verschieblich geführt ist, und eine Spurstange, die mit der Zahnstange über ein oben beschriebenes Kugelgelenk schwenkbar gekoppelt ist, wobei ein Drehpunkt des Kugelgelenks bezüglich der Zahnstangen-Längsachse radial versetzt angeordnet ist, und wobei die Zahnstangen-Längsachse mit der Gelenkachse des Kugelgelenks einen Winkel größer 0° einschließt. Vorzugsweise ist eine Horizontalkomponente des Winkels im eingebauten Zustand der Zahnstangenlenkung größer als 0°. Diese Horizontalkomponente des Winkels kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa 8° bis 20° liegen.
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Eine solche Zahnstangenlenkung kann mit geringem Aufwand hergestellt und einfach an vorgegebene Einbaubedingungen angepasst werden. Darüber hinaus lässt sich eine hohe Verbindungsfestigkeit des Kugelgelenks bei geringem Gewicht realisieren.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Zahnstangenlenkung stimmt die Gelenkachse des Kugelgelenks in einer Mittenstellung der Zahnstange im Wesentlichen mit einer Spurstangen-Längsachse überein. Dadurch kann der maximale Schwenkbereich des Kugelgelenks bei einer fertigungstechnisch vorteilhaften, rotationssymmetrischen Gelenkausführung so gewählt werden, dass er nur geringfügig über dem im Betrieb genutzten Schwenkbereich liegt. Bei einer solchen Ausführung lässt sich eine gewünschte Gelenkfestigkeit mit minimalem Materialeinsatz erzielen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 die schematische Teilansicht einer Zahnstangenlenkung;
- - 2 einen schematischen Detailschnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kugelgelenk, insbesondere für die Zahnstangenlenkung gemäß 1; und
- - 3 einen schematischen Detailschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk, insbesondere für die Zahnstangenlenkung gemäß 1.
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In 1 ist eine Zahnstangenlenkung 10 für ein Kraftfahrzeug schematisch skizziert. Die Zahnstangenlenkung 10 ist in der Draufsicht dargestellt und umfasst eine Zahnstange 12, die in Richtung einer Zahnstangen-Längsachse A verschieblich geführt ist, sowie eine Spurstange 14, die mit der Zahnstange 12 über ein herkömmliches Kugelgelenk 16 schwenkbar gekoppelt ist. In 1 ist die Spurstange 14 sowie weiteres Lenkgestänge 18 zur Ansteuerung eines lenkbaren Rads 20 für die rechte Fahrzeugseite dargestellt. Obwohl am linken axialen Ende der Zahnstange 12 die Spurstange 14 lediglich angedeutet ist, versteht sich, dass ein (nicht gezeigtes) Rad auf der linken Fahrzeugseite analog zur rechten Fahrzeugseite angesteuert wird.
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Die Zahnstangenlenkung 10 gemäß 1 weist eine Lenkungsgeometrie auf, bei der die Zahnstangen-Längsachse A mit Bezug auf eine Fahrtrichtung 22 hinter einer Radachse B angeordnet ist. Die Zahnstange 12 wirkt in bekannter Art und Weise mit einem Ritzel 24 zusammen, welches abhängig von einer Lenkbewegung des Fahrers um eine Ritzelachse rotiert (vgl. Pfeil 26). Die Radachse B wird dabei um einen Punkt XB verschwenkt (vgl. Pfeil 28).
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In einer Konstruktionslage der Zahnstangenlenkung 10, d.h. bei Geradeausfahrt des Fahrzeugs, ist die Spurstange 14 (genauer eine Spurstangen-Längsachse C) relativ zur Zahnstangen-Längsachse A um einen Winkel α0 nach vorn orientiert. Bei maximalem Lenkeinschlag vergrößert sich dieser Winkel auf α1 bzw. verringert sich auf α2 , wobei α2 auch negativ werden kann.
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Die 2 zeigt ein Schnittdetail der Lenkung durch eine Ausführungsform des Kugelgelenks 16 von 1.
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Das Kugelgelenk 16 umfasst dabei ein erstes Gelenkteil 30, das in Richtung der Längsachse A verschieblich geführt ist, und ein zweites Gelenkteil 32, das mit dem ersten Gelenkteil 30 schwenkbar verbunden ist.
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Im vorliegenden Beispiel ist das erste Gelenkteil 30 eine Gelenkpfanne, die starr mit der Zahnstange 12 verbunden ist. Entsprechend ist das zweite Gelenkteil 32 ein Gelenkkopf, der vorzugsweise einstückig mit der Spurstange 14 ausgebildet ist, wie in 2 dargestellt.
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Das erste Gelenkteil 30 hat einen Gewindefortsatz 34, mit dem es in die Stirnseite am rechten axialen Ende 40 der Zahnstange 12 eingeschraubt ist. Fertigungstechnisch ist es besonders vorteilhaft, das Kugelgelenk 16 rotationssymmetrisch auszubilden, wodurch das Kugelgelenk 16 bei einer Lenkungsgeometrie gemäß 1 jedoch auf einen recht großen maximalen Schwenkwinkel αmax ausgelegt werden muss, von dem lediglich ein vergleichsweise kleiner Winkelbereich αnutz im Fahrbetrieb genutzt wird.
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Die eingezeichneten Schwenkwinkel α liegen im eingebauten Zustand der Zahnstangenlenkung 10 alle in einer Horizontalebene. Selbstverständlich kann das Kugelgelenk 16 darüber hinaus auch um Winkel verschwenkt werden, die in einer Vertikalebene liegen, beispielsweise beim Einfedern eines Rads 20. Diese Schwenkwinkel in der Vertikalebene spielen jedoch für die vorliegende Erfindung keine Rolle, sodass darauf im Folgenden nicht weiter eingegangen wird.
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Analog zu 2 zeigt 3 ein Schnittdetail der Lenkung, diesmal jedoch durch eine alternative, erfindungsgemäße Ausführungsform des Kugelgelenks 16. Für die aus den 1 und 2 bekannten Bauteile werden identische Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Das Kugelgelenk 16 umfasst wiederum das erste Gelenkteil 30, welches in Richtung der Längsachse A verschieblich geführt ist, sowie das zweite Gelenkteil 32, das mit dem ersten Gelenkteil 30 schwenkbar verbunden ist. Im Unterschied zu dem bekannten Kugelgelenk 16 gemäß 2 ist jedoch ein Drehpunkt XD des Kugelgelenks 16 bezüglich der Längsachse A radial versetzt angeordnet, und eine Gelenkachse D schließt mit der Längsachse A einen Winkel β > 0° ein.
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In gleicher Weise wie bei dem Gelenk 16 von 2 sind bei dem erfindungsgemäßen Gelenk 16 von 3 die Gelenkteile 30, 32 als Gelenkkopf bzw. als Gelenkpfanne ausgebildet, wobei sich ein Schaftabschnitt 36 des Gelenkkopfes 32 durch eine Öffnung 38 der Gelenkpfanne 30 erstreckt. Die Gelenkachse D ist durch den Drehpunkt XD des Kugelgelenks 16 und ein Zentrum XZ der Öffnung 38 definiert. Die Öffnung 38 ist insbesondere kreisrund und das Kugelgelenk 16 bezüglich der Gelenkachse D im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, was fertigungstechnische Vorteile mit sich bringt.
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Bevorzugt liegt der Winkel β in der Größenordnung von etwa 8° bis 20°. Im eingebauten Zustand der Zahnstangenlenkung 10 liegt besonders bevorzugt eine Horizontalkomponente β* des Winkels β in der Größenordnung von etwa 8 bis 20°, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 3 gilt: β = β*.
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Die Gelenkachse D und damit der Winkel β werden in der Regel so festgelegt, dass die Gelenkachse D des Kugelgelenks 16 in einer Mittenstellung der Zahnstange 12 (entspricht einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs) im Wesentlichen mit der Spurstangen-Längsachse C übereinstimmt. Dadurch umgibt der maximale Schwenkwinkel αmax des Kugelgelenks 16 den im Fahrzeugbetrieb genutzten Winkelbereich αnutz etwa symmetrisch. Folglich kann der maximale Schwenkwinkel αmax gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden, was Vorteile hinsichtlich Kosten und Gewicht des Kugelgelenks 16 mit sich bringt. Wie in 3 angedeutet, kann dadurch die Öffnung 38 der Gelenkpfanne 30 verkleinert werden, was letztlich bei geringerem Materialeinsatz zu einer gleichbleibenden Gelenkfestigkeit führt.
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Analog zu 2 ist das erste Gelenkteil 30 als Gelenkpfanne ausgebildet und im Wesentlichen starr mit der Zahnstange 12 verbunden. Die Gelenkpfanne ist mit einem Versatzstück 31 verbunden, das an einem axialen Ende 40 der Zahnstange 12 drehfest und unverschieblich befestigt ist. Um eine Relativdrehung zwischen dem Versatzstück 31 und der Zahnstange 12 bezüglich der Zahnstangen-Längsachse A zu verhindern, kann die Zahnstange 12 am axialen Ende 40 z.B. abgeflacht sein und mit einer in dem Versatzstück 31 vorgesehenen komplementären Ausnehmung 42 zusammenwirken. Darüber hinaus ist das Versatzstück 31 mittels einer Schraube 44 an der Zahnstange angebracht, um eine Befestigung in axialer Richtung sicherzustellen. Zur Aufnahme der Schraube 44 ist in der Zahnstange 12 eine Gewindebohrung 46 vorgesehen. Die Gewindebohrung 46 und die Zahnstange 12 sind koaxial ausgerichtet, so dass sich bei minimaler Schwächung der Zahnstange 12 ein vorteilhafter Kraftfluss im Verbindungsbereich ergibt.
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Das Versatzstück 31 und das erste Gelenkteil 30 in Form der Gelenkpfanne können zweckmäßigerweise einstückig ausgebildet sein, z.B. als Gußteil. Alternativ hierzu ist es möglich, das Versatzstück 31 und die Gelenkpfanne 30 als separate Teile herzustellen und geeignet miteinander zu verbinden, zB. durch Schweißen, Verschrauben oder dergleichen.
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In 3 ist die Achse, entlang der das erste Gelenkteil 30 verschoben werden kann, mit dem Buchstaben A versehen, und wird nachstehend stets als Längsachse A bezeichnet. Die Längsachse A verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse A' der Zahnstange 12.
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Mittels des Versatzstücks 31 kann für das erste Gelenkteil 30 bzw. die Gelenkpfanne in Abhängigkeit von den konkreten Einbaubedingungen der Zahnstangenlenkung 10 ein beliebiger radialer Abstand zwischen dem Drehpunkt XD des Kugelgelenks 16 von der Zahnstangen-Längsachse A' eingestellt werden. Das Versatzstück 31 kann in Abhängigkeit von einem gewünschten Winkel β so abgeknickt sein, dass das Kugelgelenk 16 bei einfacher, insbesondere rotationssymmetrischer Fertigung und gleicher Gelenkfestigkeit ein besonders geringes Gewicht aufweist.
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Analog zu 2 ist das zweite Gelenkteil 32 gemäß 3 ebenfalls als Gelenkkopf ausgebildet und darüber hinaus einstückig mit der Spurstange 14 gefertigt. Alternativ kann natürlich auch das zweite Gelenkteil 32 als separates Bauteil hergestellt und anschließend starr mit der Spurstange 14 verbunden werden.
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Die Zahnstangenlenkung 10 mit einem Konstruktionsdetail gemäß 3 weist zum einen den Vorteil auf, dass sie über den einstellbaren radialen Abstand d mit geringem Aufwand an die konkreten Einbaubedingungen des jeweiligen Fahrzeugs anpassbar ist und zum anderen über den einstellbaren Winkel β eine optimale Materialausnutzung des Kugelgelenks 16 bei minimalem Fertigungsaufwand aufweist.
