DE102010039605B4

DE102010039605B4 - Geschlitzte Zahnstange zur Reduzierung der Federrate

Info

Publication number: DE102010039605B4
Application number: DE102010039605.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Lichtenstein; Jens-Hauke Müller; Sven Kirschbaum
Original assignee: Tedrive Steering Systems GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2030-08-21
Also published as: WO2012022805A1; DE102010039605A1

Abstract

Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge aufweisend eine Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') und ein Ritzel, wobei das Ritzel in die Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') der Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') unter Vorspannung eingreift, wobei sich unterhalb der Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') ein freier Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') mit einer zur Axialrichtung senkrechten Durchbruchsrichtung befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') frei ist und wenigstens eine der Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') entsprechende Ausdehnung in Axialrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer Zahnstangenlenkung ist ein Ende einer Lenksäule, die mit Hilfe eines Lenkrads des Kraftfahrzeugs betätigt wird, mit einem Ritzel verbunden. Das Ritzel greift in eine Zahnstange, die gleitend in einem Lenkgehäuse eingebaut ist, ein. Die Drehbewegung des Lenkrads und somit die entsprechende Drehung des Ritzels, wird in eine entsprechende Translation der Zahnstange im Gehäuse umgesetzt. Die Zahnstange bewirkt ihrerseits die Ausrichtung wenigstens eines Rades des Kraftfahrzeugs. Da bei der Zahnstangenlenkung die Lenkstange mit ihrer Verzahnung nur von einer Seite peripher an dem Ritzel anliegt, ist es notwendig das Spiel zwischen der Verzahnung der Zahnstange und dem Ritzel einzustellen. Solche Einstelleinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus der Patentschrift DE 1087020 B ist eine Einrichtung zum Nachstellen von Zahntrieben, insbesondere Lenkgetrieben für Kraftfahrzeuge, bekannt, bei der ein Triebteil aufgeschlitzt ist und eine Schraube, ein Keil oder dergleichen die getrennten Teile miteinander verbindet, so dass diese Teile durch Anziehen der Schraube oder des Keils elastisch zusammengeklemmt oder aufgespreizt werden. Der freie Durchbruch weist keine der Verzahnung entsprechende Ausdehnung in Axialrichtung oder größer auf. Durch das Anziehen der Schraube oder des Keils wird eine dem nachzustellenden Verschleiß entsprechende Verformung der Zahnbasis erreicht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Zahnstangenlenkung zu schaffen, bei der der Eingriff zwischen Zahnstange und Ritzel verbessert, insbesondere weitgehend automatisch, nachgestellt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Zahnstangenlenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge bereit. Die Zahnstangenlenkung weist eine Zahnstange und ein Ritzel auf. Das Ritzel greift in die Verzahnung der Zahnstange ein. In der vorliegenden Erfindung macht man sich die Vorspannung zwischen Zahnstange und Ritzel zu Nutze. Unterhalb der Verzahnung befindet sich ein freier Durchbruch mit einer zur Axialrichtung der Zahnstange senkrechten Durchbruchsrichtung. Freier Durchbruch bedeutet hier, dass keine Mittel, wie zum Beispiel Schrauben oder Keile, in den Durchbruch eingebracht werden. Der erfindungsgemäß vorgesehene Durchbruch sorgt dafür, dass der die Verzahnung tragende Teil der Zahnstange im Vergleich zu einer Zahnstange ohne Durchbruch elastischer wird. Dadurch kann dessen elastische Nachgiebigkeit zum Ausgleich eines verschleißbedingten Abtrags am Ritzel oder der Verzahnung vorteilhaft genutzt werden, also verschleißbedingtes Spiel minimiert werden. Verschleißerscheinungen, Dickenschwankungen der Zahnstange und Rundlauftoleranzen des Ritzels werden erfindungsgemäß automatisch während des Betriebs ausgeglichen. Ferner kann auf einen Gleitstein inklusiver zugehöriger Komponenten sowie entsprechenden Fertigungs- und Montageprozessen verzichtet werden. Der Wegfall des Gleitsteins ist nicht nur aus Kostensicht vorteilhaft. Zudem entsteht durch den Gleitstein bei der Lenkbewegung Reibung, wodurch das Lenkgefühl für den Benutzer unnötig hart ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Durchbruch wenigstens eine der Verzahnung entsprechende Ausdehnung in Axialrichtung auf. Durch die Einbringung des Durchbruchs unterhalb der Verzahnung ist die Verzahnung nur an den Enden mit der eigentlichen Zahnstange verbunden. Die Federrate der Zahnstange wird durch diesen Aufbau reduziert. Dies ermöglicht es, den Verzahnungsbereich der Zahnstange als federndes Element, welches u. a. die Fertigungstoleranzen ausgleicht, zu verwenden.
Da die Federrate zu den Rändern der Verzahnung hin stark ansteigt, ist es noch vorteilhafter, dass der Durchbruch über die Verzahnung der Zahnstange, bevorzugt beiderseitig, noch bevorzugter um das gleiche Maß, hinausgeht. Durch diese Ausgestaltung kann über den axialen Ausdehnungsbereich der Verzahnung die Federrate gleichmäßiger ausfallen.
In einer Ausgestaltung weist der Durchbruch einen Abschnitt auf, bei dem der Abstand zwischen dem Durchbruch und der Verzahnung konstant ist. Bevorzugt ist dieser Abschnitt genauso lang wie die Ausdehnung der Verzahnung in Axialrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ändert sich der Abstand des Durchbruchs zur Achse der Zahnstange. Beispielsweise nimmt der Abstand des Durchbruchs zur Achse der Zahnstange zu, je weiter man sich nach außen von dem Mittelpunkt bezogen auf die Axialrichtung der Verzahnung entfernt.
Der Verlauf des Durchbruchs kann Abschnitte mit einem gekrümmten Verlauf sowie mehrere geradlinige Abschnitte, die zueinander gewinkelt sind, jeweils bezogen auf die Axialrichtung, aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Verzahnungsverlauf gekrümmt ist. Bevorzugt ist die Verzahnung konvex gekrümmt, dadurch wird die Federrate über den Verlauf der Verzahnung in Axialrichtung gleichmäßiger.
Um eine über die gesamte Länge der Verzahnung gleichbleibende Federrate zu erzeugen, kann die Weite des Durchbruchs senkrecht zur Durchbruchsrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung variieren. Denkbar ist auch, dass die Weite des Durchbruchs größer ist als die Zahnhöhe der Verzahnung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Mittel zur Variation des Eingriffs beziehungsweise der Vorspannung zwischen Ritzel und Zahnstange am Ritzel und/oder Stützlager vorgesehen.
Bei der vorliegenden Erfindung soll in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Führung der Lenkstange durch zwei, bevorzugt ausschließlich zwei, Stützlager erfolgen. Hierdurch wird die Zahnstange über die zwei Stützlager auf das Lenkritzel gedrückt. Durch diese Umgestaltung können nicht nur Kosten einspart werden, sondern es kann auch eine Verbesserung in der Performance erzielt werden. Ein Klappern der Zahnstange wird in dieser Ausführungsform vermieden. Denkbar ist auch, dass die Zahnstange exzentrisch gelagert wird.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhang der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt sind. Es zeigen:
1: schematische Darstellung einer Lenkstange mit einem Durchbruch in einer ersten Ausführungsform;
2: schematische Darstellung einer Lenkstange mit einem Durchbruch in einer zweiten Ausführungsform;
3: schematische Darstellung einer Lenkstange mit einem Durchbruch in einer dritten Ausführungsform;
4: schematische Darstellung einer Lenkstange mit einem Durchbruch in einer vierten Ausführungsform.
Die Figuren zeigen Ausgestaltungsmöglichkeiten des Durchbruchs (3, 3', 3'', 3''') mit denen das Ansteigen der Federrate zu den Rändern der Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') hin abgefangen werden kann. Die Durchbruchsrichtung der einzelnen Ausführungsbeispiele in den Figuren verläuft jeweils senkrecht zur Zeichenebene.
In 1 ist eine Zahnstange (1) dargestellt, die einen Durchbruch (3) aufweist, bei dem der Durchbruch (3) parallel zwischen der Verzahnung (2) und der Achse (4) der Zahnstange (1) verläuft. Der Durchbruch (3) teilt sich in einen Abschnitt (3a) und einen Abschnitt (3b) auf. Der Abschnitt (3a) des Durchbruchs (3) liegt genau unterhalb der Verzahnung (2) und weist in Axialrichtung eine der Verzahnung (2) entsprechende Ausdehnung auf. Der Abschnitt (3b) ist der Teil des Durchbruchs (3), der in Axialrichtung über die Ausdehnung der Verzahnung (2) hinaus geht. Die Abschnitte (3a) und (3b) des Durchbruchs (3) liegen in dieser Ausführungsform in einer Ebene.
In 2 weist der Durchbruch (3') geradlinig zueinander gewinkelte Abschnitte (3a', 3b' und 3c') auf. Im Abschnitt (3a') liegt der Durchbruch (3') parallel zur Verzahnung (2') und der Achse (4') der Zahnstange (1'). Im Bereich außerhalb der Verzahnung (2') teilt sich der Durchbruch (3') in einen Abschnitt (3b') und (3c') auf. Der Abschnitt (3b') des Durchbruchs (3') verbindet den Abschnitt (3a') mit dem Abschnitt (3c') des Durchbruchs (3'). Im Abschnitt (3c') und im Abschnitt (3a') ist der Verlauf des Durchbruchs (3) in Axialrichtung parallel zueinander.
In 3 weist der Durchbruch (3'') einen gekrümmten Verlauf auf. Wie in den 1 und 2 verläuft der Durchbruch (3'') im Abschnitt (3a'') parallel zur Verzahnung (2'') und der Achse (4''). Außerhalb der Verzahnung (2'') im Abschnitt (3b'') weist der Durchbruch (3) in Axialrichtung einen nach oben gekrümmten Verlauf auf.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform dargestellt. Der Verlauf des Durchbruchs (3''') ist der gleiche wie in 1. In Abänderung zur 1 verläuft die Verzahnung (2''') jedoch nicht parallel zur Achse (4''') der Zahnstange (1'''). Die Verzahnung (2''') weist eine konvexe Krümmung auf. Durch die Form der Verzahnung wird der Verlauf der Federrate der Verzahnung (2''') gleichmäßiger.

Claims

Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge aufweisend eine Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') und ein Ritzel, wobei das Ritzel in die Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') der Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') unter Vorspannung eingreift, wobei sich unterhalb der Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') ein freier Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') mit einer zur Axialrichtung senkrechten Durchbruchsrichtung befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') frei ist und wenigstens eine der Verzahnung (2, 2', 2'', 2''') entsprechende Ausdehnung in Axialrichtung aufweist.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchsrichtung parallel zur Verzahnung (2, 2', 2'') ist.
Zahnstangenlenkung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') über die Verzahnung der Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') hinaus geht.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite (W, W', W'', W''') des Durchbruchs (3, 3', 3'', 3''') senkrecht zur Durchbruchsrichtung variiert.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') symmetrisch zu seiner Mitte ist.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Durchbruchs (3''') zur Verzahnung (2''') in der Mitte des Durchbruchs (3''') am größten ist und zu den Enden des Durchbruchs (3''') hin abnimmt.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Durchbruchs (3') in Axialrichtung geradlinige zueinander gewinkelte Abschnitte (3a', 3b', 3c') aufweist.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Durchbruchs (3'') gekrümmte Abschnitte (3b'') aufweist.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (3, 3', 3'', 3''') einen Abschnitt (3a, 3b, 3a', 3c', 3a'', 3a''', 3b''') aufweist, der parallel zur Achse (4, 4', 4'', 4''') der Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') liegt.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite des Durchbruchs (3, 3', 3'', 3''') höher ist als die Zahnhöhe der Verzahnung (2, 2', 2'', 2''').
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung in Axialrichtung gekrümmt ist.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Variation des Eingriffs zwischen Ritzel und Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') am Ritzel und/oder Stützlager vorgesehen sind.
Zahnstangenlenkung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (1, 1', 1'', 1''') durch zwei Stützlager geführt wird.