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Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkgetriebegehäuse, in dem eine Zahnstange axialverschieblich gelagert ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zahnstangenlenkungen sind hinlänglich und beispielsweise aus „Fahrwerktechnik: Lenkung", J. Reimpell, Vogel-Buchverlag, 1984, S. 70–90 bekannt.
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Zahnstangenlenkungen werden mit unterschiedlichen getrieblichen Verbindungen zwischen einer Zahnstange und einem Servomotor, welcher eine Lenkhilfskraft oder eine Fremdkraft zum axialen Verschieben der Zahnstange bereitstellt, gebaut. Zahstangenlenkungen sind im Wesentlichen aus einem zylinderförmigen Lenkgetriebegehäuse gebildet, in dem eine Zahnstange axialverschieblich angeordnet ist. Bei Hilfskraftlenkungen ist ein als Ritzel ausgebildetes Ende einer Lenksäule mittig oder seitlich, etwa quer zur Längsachse des Lenkgetriebegehäuses in einer Bohrung in das Lenkgetriebegehäuse eingesetzt und über eine Ritzellagerung gelagert. Das Ritzel kämmt mit einer in der Regel als Planverzahnung gebildeten Verzahnung der Zahnstange. Das Ritzel, in der Regel aber die Zahnstange, werden mit einem in einer Axialführung des Lenkgetriebegehäuses eingesetzten Druckstück in Anlage aneinander gehalten. Eine Lenkhilfskraft wird beispielsweise über einen Kugelgewindertrieb mit einer axial unverschieblich in dem Lenkgetriebegehäuse gelagerten Kugelumlaufmutter, die in Eingriff mit einem Spindelabschnitt der Zahnstange ist, auf die Zahnstange von einem Servomotor übertragen. An den axialen Enden der Zahnstange sind Spurstangen und Radlenkhebel gelenkig mit der Zahnstange verbunden und werden bei einer Drehung des Ritzels und der Kugelumlaufmutter mit der Zahnstange verschoben.
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In Servo-Zahnstangenlenkungsgetrieben mit Einkoppelung der Servounterstützung über einen Kugelgewindetrieb wirkt im Lenkbetrieb auf die Zahnstange ein relativ hohes Moment um die Zahnstangenlängsachse. Fast das gesamte, in die Kugelumlaufmutter zur Aufbringung der Servokraft eingeleitete Drehmoment wird auf die Zahnstange übertragen und muß abgestützt werden. Verdrehsicherungen an der Zahnstange, wie etwa ein dreieckförmiges Rückenprofil zusammen mit einem formschlüssig anliegende Druckstück vermögen zwar diese Abstützung zu leisten, sind aber fertigungstechnisch aufwändig und erfordern aufgrund der Überbestimmung der Zahnstange, die durch das Zusammenwirken der Verzahnung am Ritzel und an der Planverzahnung ausgerichtet wird, erhöhte Fertigungsgenauigkeiten.
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Bei Zahnstangen ohne diese formschlüssigen Verdrehsicherungen mit rundem Rückenprofil muß das gesamte Drehmoment durch die Verzahnung abgestützt werden, was bei dahingehend nicht modifizierten zylindrischen Verzahnungen zu erhöhter Kantenbelastung an den Stirnflächen der Zahnstangenzähne und auch an den Ritzelzähnen führt, verbunden mit Verschleiß an den betreffenden. Verzahnungen.
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Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Zahnstangenlenkung anzugeben, bei der das axiale Drehmoment der Zahnstange auf einfache Weise und ohne Inkaufnahme von unzulässigen Belastungen für die Verzahnungen der Zahnstange und einem mit der Zahnstange kämmenden Ritzel abgestützt ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Zahnstangenlenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch daß zu einer oder zu beiden Seiten einer Längsachse der Zahnstange die Profilfuß- und Kopflinie der Verzahnung der Zahnstange mit einem Neigungsswinkel abfällt, also insbesondere ihre Profilfuß- und Kopflinie, und die Ritzelverzahnung, insbesondere deren Profilfuß- und -kopflinie parallel zur Ritzellängsachse ist oder aber die Verzahnung der Zahnstange eben ist und die des Ritzels zu beiden Seiten der Längsachse der Zahnstange zu der Längsachse des Ritzels mit einem Neigungswinkel abfallen, wobei eine Anpreßvorrichtung, insbesondere durch ein Druckstück, für die Anpressung der Zahnstangenverzahnung an die Ritzelverzahnung vorgesehen ist, das ein dem jeweiligen Drehmoment entgegegenwirkendes Drehmoment in der Lage ist aufzubringen, ist eine Zahnstangenlenkung geschaffen, die mit einer gleichmäßigen Linienberührung über eine reduzierte Zahnbreite, nämlich die jeweilige Zahnbreite des geneigten Teils mit dem Ritzel kämmt. Dadurch ist ein Verschleiß der Verzahnungspartner der Zahnstangenlenkung verhindert. Es kann auch zweckmäßig sein, beide Verzahnungen – von Ritzel und Zahnstange – mit einem Neigungswinkel zu versehen um so eine gleichmäßige Linienberührung über den jeweils geneigten Teil beider Verzahnungen zu erhalten.
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Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Zahnstangenlenkung kann auch der Neigungswinkel der Profilfußlinie der Verzahnung der Zahnstange über deren Länge variieren, wobei der Neigungswinkel adaptiv an entsprechende Belastungen der Zahnstange in unterschiedlichen Abschnitten angepaßt ist. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Zahnstangenlenkung ist zwischen den beiden konisch abfallenden, bzw. mit einem Neigungswinkel versehenen Verzahnungsbereichen ein Übergangsverzahnungsbereich vorgesehen, der eine ebene oder ballige Profilfuß- und Kopflinie aufweist, um in jeder Verdrehsituation der Zahnstange eine ausreichende Überdeckung bzw. einen einwandfreien Kraftfluß zwischen den Verzahnungspartnern zu ermöglichen. Der Neigungswinkel der jeweiligen Teilbereiche der Verzahnungen ist an das auf die Zahnstange wirkende Drehmoment angepaßt und beträgt etwa zwischen 0,1° und 5°. Die mit einem Neigungswinkel abfallenden Zahnbreiten betragen zusammen höchstens etwa 80% der Gesamtzahnbreite.
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Die Zahnstange kann mit einer kreisrunden oder teilkreisförmigen Rückseite gebildet sein und stützt sich bevorzugt an einem Druckstück ab, das einen ovalen Anpreßquerschnitt aufweist. Durch diese konstruktive Maßnahme ist es ermöglicht, daß die Zahnstange sobald sie aufgrund des auf sie wirkenden Drehmoments aus ihrer Mitte rollt, gegen einen vorgesehenen Anlagepunkt am Druckstück kommt, an den sich ein idealer, in Bezug auf den Verzahnungseingriff, Kraftangriffspunkt für die abzustützende Druckkraft ergibt. Die Form der Druckstückkurve kann rechnerisch auf den Neigungswinkel an der Verzahnung abgestimmt werden, bzw. die Verzahnungen auf den sich einstellenden Neigungsswinkel bis zur Anlage der Zahnstange an dem Druckstück abgestimmt werden.
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Um die Auswirkungen des Druckstückspiels auf die tragende Verzahnungsbreite zu reduzieren, kann eine Breitenballigkeit der geneigten Verzahnungsbereiche mit Neigungswinkel vorgesehen sein. Das betreffende Ritzel kann ein an einer Lenkwelle festgelegtes Ritzel und/oder ein Ritzel für eine Servomotorwelle sein, sodaß mit der erfindungsgemäßen Verzahnung an der Zahnstange und dem Ritzel sowohl eine Hilfkraftlenkung als auch eine Fremdkraftlenkung für einen Personenkraftwagen oder einen Nutzkraftwagen ausgestaltet sein kann. Die Zahnstangenlenkung läßt sich beispielsweise als elektrische oder elektrohydraulische oder hydraulische Hilfskraftlenkung auslegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnstangenlenkung
- 2
- Lenkgetriebegehäuse
- 3
- Zahnstange
- 4
- Verzahnung
- 5
- Verzahnung
- 6
- Ritzel
- 7
- Seite
- 8
- Seite
- 9
- Längsachse
- 10
- Profilfußlinie, v. 4
- 11
- Profilkopflinie, v. 4
- 12
- Profilfußlinie, v. 5
- 13
- Profilkopflinie, v. 5
- 14
- Ritzellängsachse
- 15
- Anpresseinrichtung
- 16
- Übergangsbereich
- 17
- Profilfußlinie, v. 16
- 18
- Kopflinie, v. 16
- 19
- Zahnstangenrückseite
- 20
- Druckstück
- 21
- Berührungslinie, an 20
- 22
- Bohrung
- 23
- Druckfeder
- 24
- Gleifläche, oval
- γ
- Neigungswinkel
- b
- Zahnbreite
- B
- Gesamtbreite
- FD
- Abstützkraft
- M
- Drehmoment
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Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung,
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine Zahnstange und ein Ritzel der Zahnstangenlenkung in 1 mit ebener Profilfuß- und Kopflinie der Zahnstange und mit einer mit einem Neigungswinkel versehenen Verzahnung des Ritzels,
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine Zahnstange und ein Ritzel einer Zahnstangenlenkung mit einer, mit einem Neigungswinkel der Profilfuß- und kopflinie abfallenden Verzahnung der Zahnstange,
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4 einen schematischen Querschnitt durch eine Zahnstange und ein Ritzel einer Zahnstangenlenkung wie in 2 mit einem Eingriff der Verzahnungen von Ritzel und Zahnstange unter Last.
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In 1 ist in einem teilweisen, schematischen Längsschnitt eine Zahnstangenlenkung 1 für einen Personenkraftwagen gezeigt. In einem zylinderförmigen Lenkgetriebegehäuse 2 der Zahnstangenlenkung 1 ist ein Ritzel 6 drehbar gelagert. Das Ritzel 6 ist mit einer Verzahnung 5 versehen, die mit einer Verzahnung 4 einer Zahnstange 3 in Eingriff ist. Die Zahnstange 3 ist axialverschieblich in dem Lenkgetriebegehäuse 2 gelagert. Das Ritzel 6 ist unverschieblich in ein oder mehreren Lagern in dem Lenkgetriebegehäuse 2 gehalten. An der Zahnstange 3 sind zu beiden Seiten nicht gezeigte Spurstangen gelenkig angebunden. Die Spurstangen sind wiederum in an sich bekannte Weise jeweils mit einem Radlenkhebel eines gelenkten Rades einer Achse des Personenkraftwagens verbunden.
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Ein Druckstück 20 einer Anpreßeinrichtung 15 ist entlang einer quer zu der Längsachse 9 der Zahnstange geführten Bohrung 22 in dem Lenkgetriebegehäuse 2 axialverschieblich geführt. Das Druckstück 20 preßt unter Beaufschlagung durch eine Druckfeder 23 mit seiner, wie 4 zeigt, im Querschnitt ovalen Gleitfläche 24 auf eine Zahnstangenrückseite 19 und hält deren Verzahnung 4 in Eingriff mit der Verzahnung 5 des Ritzels 6.
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Wie 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Zahnstangenlenkung 1 zeigt, ist die Zahnstange 3 mit einer Evolventen-Planverzahnung 4 gebildet, deren Profilkopflinie 11 und Profilfußlinie 10 gerade über ihrer Breite verläuft. Hingegen verlaufen die Profilfußlinie 12 und die Profilkopflinie 13 der Verzahnung 5 des Ritzels 6 nicht eben, sondern wölben sich konvex zu der Verzahnung 4 der Zahnstange 3 hin. Zu diesem Zweck ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zu beiden Seiten 7, 8 der Längsachse 9 der Zahnstange 3 sowohl die Profilfußlinie 12 als auch die Profilkopflinie 13 mit einem Neigungswinkel γ relativ zu der Ritzellängsachse 14 versehen. Der Neigungswinkel γ bzw. die mit diesem versehenen Verzahnungsbereiche des Ritzels 6 reichen jeweils an jeder Seite 7, 8 über eine Zahnbreite b von etwa 80% d. h. es ist bezogen auf die Gesamtbreite B der Ritzelverzahnung ein nicht mit einem Neigungswinkel γ versehener Bereich, ein Übergangsbereich 16 vorgesehen. In dem Übergangsbereich 16 verlaufen die Prolifußlinie 12 und die Profilkopflinie 13 der Ritzelverzahnung etwa parallel zu der Ritzellängsachse 14. Die Bezugszeichen 17 und 18 benennen die Profilfußlinie und die Profilkopflinie der Verzahnung 5 des Ritzels 6 in diesem Übergangsbereich 16.
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Der Übergangsbereich 16 erstreckt sich über dieselbe Breite bezogen auf die Profilfußlinie und die Profilkopflinie der Ritzelverzahnung. Der Neigungswinkel γ der in den Ausführungsbeispielen in 2 bis 4 gezeigt ist, beträgt etwa 5°.
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Im Betrieb der Zahnstangenlenkung 1 werden Drehmomente auf die Zahnstange 3 aufgebracht, wenn beispielsweise eine um einen nicht gezeigten Gewinde- oder Spindelabschnitt rotierende Kugelumlaufmutter von einem Servomotor zum Zweck der Erzeugung einer Lenkhilfskraft angetrieben wird. Hierbei tendiert die Zahnstange 3 sich um ihre Längsachse 9 in dem Lenkgetriebegehäuse 2 zu verdrehen, sodaß nur noch im Kantenbereich der Zahnstangenverzahnung ein Kraftschluß zwischen den Verzahnungen 4, 5 möglich wäre.
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Die 4 zeigt eine derartige Betriebssituation, in der ein Drehmoment M auf die Zahnstange 3 wirkt und unter Wirkung dessen, die Zahnstange 3 um ihre Längsachse 9 kippt. Die Zahnstange 3 kippt in Richtung des Betrachters der 4 nach rechts. Eine ovale Gleitfläche 24 des Druckstücks 20, die eine Berührungslinie 21 mit der Zahnstangenrückseite 19 teilt, ermöglicht durch ihre Gestalt und durch den dadurch möglichen außermittigen Angriffspunkt an der Zahnstange 3 ein Gegenmoment zu dem Drehmoment M zu erzeugen.
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Das Druckstück 23 kann eine Abstützkraft FD aufbringen, deren Wirklinie in Blickrichtung des Betrachters rechts an der Längsachse 9 vorbeigeht.
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Inverse Kräfteverhältnisse sind mit einer nicht gezeigten Gleitfläche, die der gezeigten diametral zu der Längsmittelebene der Zahnstange 3 gegenüberliegt, möglich.
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Dadurch daß der Neigungswinkel γ an der Ritzelverzahnung 5 ein Kippen der Zahnstange 3 zuläßt, kann die Zahnstange 3 mit ihrer Verzahnung 4 bei dem gezeigten Momentengleichgewicht in 4 zumindest mit einer Teilbreite b ihrer Gesamtbreite B zu einem einwandfreien Tragen der Zahnflanken beider Verzahnungen 4, 5 beitragen.
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Ein Kantentragen, wie dies bei Zahnstangenlenkungen aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist dadurch sicher verhindert. 3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Zahnstangenlenkung 1, daß anstelle der Ritzelverzahnung, die Verzahnung 5 der Zahnstange 3 mit dem erfindungsgemäßen Neigungswinkel γ zu beiden Seiten 7, 8 der Längsachse 9 der Zahnstange 3 versehen ist. Die Profilfußlinie 10 und die Profilkopflinie 11 der Zahnstange 3 weisen zu beiden Seiten 7, 8 ihrer Längsachse 9 bzw. zu beiden Seiten der durch die Längsachse 9 senkrecht geführten Längsmittelebene der Zahnstange 3 einen Neigungswinkel γ in dem Sinne auf, daß die Profilfußlinie 12 und -kopflinie 13 in Bezug auf die Ritzellängsachse 14 ausgehend von einem Übergangsbereich 16 wegragen. Bei einem Kippen der Zahnstange 3 im Sinne wie in 4 beispielhaft verdeutlicht, ergibt sich eine gleiche Lage der betreffenden Verzahnungen 5, 4 von Ritzel 6 und Zahnstange 3 wie in 4 gezeigt. Es kommt zu keinem Kantentragen der Verzahnungen 4, 5.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Fahrwerktechnik: Lenkung”, J. Reimpell, Vogel-Buchverlag, 1984, S. 70–90 [0002]
