DE102018204711B4

DE102018204711B4 - Verfahren zur Festlegung eines Spieltoleranzfelds eines mit einer Zahnstange einer Zahnstangenlenkung zusammenwirkenden Kugelgewindetriebs sowie Vorrichtung zum Bekugeln eines Kugelgewindetriebs

Info

Publication number: DE102018204711B4
Application number: DE102018204711.1A
Authority: DE
Inventors: Eike Malte Manske
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: DE102018204711A1

Abstract

Verfahren zur Festlegung eines Spieltoleranzfelds für einen mit einer Zahnstange (10) einer Zahnstangenlenkung zusammenwirkenden Kugelgewindetrieb, wobei die Zahnstange (10) einen für einen Eingriff eines Ritzels vorgesehenen Zahnstangenabschnitt (12) und einen für einen Eingriff einer Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs vorgesehenen Kugelgewindespindelabschnitt (14) aufweist und die Zahnstange (10) im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts (14) ballig ausgebildet ist, wobei verfahrensgemäß das Spieltoleranzfeld des Kugelgewindetriebs in Abhängigkeit von der Balligkeit der Zahnstange (10) festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegung eines Spieltoleranzfelds eines mit einer Zahnstange einer Zahnstangenlenkung zusammenwirkenden Kugelgewindetriebs gemäß dem Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Bekugeln eines Kugelgewindetriebs gemäß dem Patentanspruch 4.
Kugelgewindetriebe sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Sie wandeln bekanntlich eine Dreh- in eine Linearbewegung und umfassen hierfür eine Kugelgewindespindel, eine Kugelgewindemutter mit Kugelrückführsystem und Kugeln als Wälzelemente. Die Verbindung zwischen Spindel und Mutter stellen die Kugeln durch ein Abwälzen in den Laufbahnen der Kugelgewindespindel und Kugelgewindemutter her. Als Teilkreisdurchmesser eines Kugelgewindetriebs wird der Abstand zwischen den Mittellinien zweier genau gegenüberliegenden umlaufenden Kugeln verstanden.
Es ist weiterhin hinlänglich bekannt Kugelgewindetriebe in Kraftfahrzeuglenkungen zur Hilfskraftunterstützung der Lenkung einzusetzen. Neben einem für einen Eingriff eines Ritzels vorgesehenen Zahnstangenabschnitt, weist die Zahnstange hierzu noch einen für einen Eingriff der Kugelgewindemutter vorgesehenen Kugelgewindespindelabschnitt auf, um eine von einem Hilfskraftmotor (z.B. Elektromotor) erzeugte rotatorische Bewegung der Kugelgewindemutter in eine translatorische Hilfskraft und damit translatorische Bewegung der Zahnstange umzusetzen. Lediglich beispielhaft wird auf die DE 10 2009 046 621 A1 , DE 10 2011 056 025 A1 und DE 10 2012 212 273 A1 verwiesen.
Um neben einer einwandfreien Funktion eines mit einer Zahnstange zusammenwirkenden Kugelgewindetriebs auch eine hohe Ausbringungsquote sicherzustellen, ist für die Bauteile Kugelgewindespindelabschnitt, Kugelgewindemutter und Kugel, ein Normspieltoleranzfeld vorgegeben.
Ein bekanntes Problem derartiger, durch einen Kugelgewindetrieb hilfskraftunterstützter Lenkungen ist, dass diese im Betrieb zu Klappergeräuschen neigen. Um im Bereich der Lenkungsmittellage die Klappergeräusche zu minimieren, werden die Kugelgewindespindelabschnitte in der Regel mit einer Balligkeit gefertigt. Balligkeit heißt, dass der Kugelgewindespindelabschnitt ausgehend von seiner Mittelstellung, in der der Spindelabschnitt einen maximalen Radius aufweist, in axialer Richtung nach außen hin kontinuierliche abnehmenden Radien aufweist. Aufgrund der balligen Ausbildung des Kugelgewindespindelabschnitts ist somit sichergestellt, dass der Kugelgewindetrieb ausgehend von seiner Mittelstellung in axialer Richtung nach außen einen abnehmende Teilkreisdurchmesser aufweist und somit auch unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen der maximale Teilkreisdurchmesser des Kugelgewindetriebs stets in Lenkungsmittellage vorliegt.
Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass nachfolgend unter der Lenkungsmittellage des Kugelgewindetriebs die mittige Stellung der Kugelumlaufmutter in Bezug auf die axiale Länge des Kugelgewindespindelabschnitts verstanden werden soll.
Als nachteilig erweist sich hierbei, dass aufgrund der balligen Ausbildung des Kugelgewindespindelabschnitts das Spiel des Kugelgewindetriebs in Richtung Außenbereich zunimmt, mit der Konsequenz, dass es bei Kurvenfahrt zu einem verstärkten Lenkungsklappern kommen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, mittels dem eine optimierte Einstellung des Spiels eines mit einer Zahnstange einer Zahnstangenlenkung zusammenwirkenden Kugelgewindetriebs ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 und 3 bilden vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr für eine optimierte Einstellung des Spiels des Kugelgewindetriebs die Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts der Zahnstange bei der Festlegung des Spieltoleranzfeldes mit berücksichtigt.
Dies hat den Effekt, dass die Spielgrenzen in Abhängigkeit von der Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts variieren können, so dass z. B. für sehr ballig ausgebildete Kugelgewindespindelabschnitte schärfere Spielgrenzen vorgesehen werden können, ohne die komplette Produktionsmenge in seiner Ausbringung stark zu gefährden.
Bevorzugt wird hierzu vor der Bekugelung ein Ist-Wert für die Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts bestimmt. Dieser die Balligkeit des aktuellen Kugelgewindespindelabschnitts charakterisierende Ist-Wert wird anschließend mit einem hinterlegten kritischen Balligkeitswert verglichen. Bei dem hinterlegten kritischen Balligkeitswert kann es z.B. um einen mittels Versuchen ermittelten Referenzwert handeln. Ergibt nun der Vergleich, dass der Ist-Wert größer als der hinterlegte kritische Balligkeitswert ist, wird für den Kugelgewindetrieb ein Spieltoleranzfeld festgelegt, welches kleiner als ein vorher definiertes Normspieltoleranzfeld ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ungünstige Kugelgewindetrieb-Spiele und hohe Balligkeiten zusammentreffen können, d.h. dass auch die Spielzunahme im Außenbereich reduziert ist, mit dem Effekt, dass auch die Neigung zum Lenkungsklappern im Außenbereich minimiert ist.
Vorzugsweise erfolgt dabei die Festlegung des Spieltoleranzfeldes in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung des Ist-Balligkeitswerts vom kritischen Balligkeitswert. Beispielsweise in einer Ausgestaltung, dass - wenn z.B. die Abweichung des Ist-Balligkeitswert vom kritischen Balligkeitswert < 5% beträgt, dem Kugelgewindetrieb ein erstes Spieltoleranzfeld zugewiesen wird, während bei einer Abweichung > 5% dem Kugelgewindetrieb ein zweites Spieltoleranzfeld zugewiesen wird, welches enger als das erste Spieltoleranzfeld ist.
Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zu Grunde eine Vorrichtung zum Bekugeln eines Kugelgewindetriebs, welche mit einer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 angegebenen Art ausgebildeten Zahnstange zusammenwirkt, anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst.
Der Unteranspruch 5 bildet eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine Regel-/Steuereinheit aus, der als Eingangsgröße ein Ist-Wert der Balligkeit der Zahnstange im Bereich Kugelgewindespindelabschnitts zur Verfügung gestellt wird und die eingerichtet ist, anhand des Ist-Werts der Balligkeit der Zahnstange im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts, ein Spieltoleranzfeld vorzugeben.
Aufgrund der nunmehr der Regel-/Steuereinheit als Eingangsgröße zur Verfügung gestellten Information über die Balligkeit der Zahnstange im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts, können in vorteilhafter Weise ungünstige Spiele im Außenbereich (Kurvenfahrt) und damit ein Lenkungsklappern bei Kurvenfahrt, vermieden werden.
Bevorzugt ist die Regel-/Steuereinheit ferner eingerichtet, durch eine Auswahl des Durchmessers der für die Bekugelung vorgesehen Kugeln, das vorgegebene Spieltoleranzfeld einzustellen. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass die Information zur Spieleinstellung unmittelbar beim Bekugelungsprozess berücksichtigt werden kann.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
In der Zeichnung bedeutet:

1 eine schematische Darstellung einer Zahnstange für eine mittels eines Kugelgewindetriebs Hilfskraft unterstützten Zahnstangenlenkung, und
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Kugelgewindetrieb-Spiels.

1 zeigt eine insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung.
Wie 1 zeigt, weist die Zahnstange 10 einen für einen Eingriff eines Ritzels vorgesehenen Zahnstangenabschnitt 12 sowie einen - hier nur schematisch dargestellten - ballig ausgebildeten Kugelgewindespindelabschnitt 14 auf. Auf eine Darstellung der Laufbahnen im Kugelgewindespindelabschnitt 14 sowie der weiteren Bauteile des Kugelgewindetriebs, nämlich der Kugelgewindemutter mit Kugelrückführsystem sowie den Kugeln als Wälzelemente, wurde vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass in 1 die Balligkeit stark übertrieben dargestellt ist und diese sich in Wirklichkeit im µm-Bereich bewegt.
Aus der stark übertriebenen Darstellung ist jedoch ersichtlich, dass aufgrund der Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts 14 ausgehend von der durch die strich-punktierte Linie 16 gekennzeichneten Mittelstellung des Kugelgewindeabschnitts 14 und damit der Lenkungsmittellage in axialer Richtung nach außen hin einen kontinuierlich abnehmenden Radius aufweist, mit der Konsequenz, dass die in den Kugelgewindespindelabschnitt 14 eingebrachten Laufbahnen, ausgehend von der Lenkungsmittellage einen in axialer Richtung nach außen abnehmenden Teilkreisdurchmesser aufweisen.
Die ballige Ausgestaltung hat den Effekt, dass - wie aus der übertriebenen Darstellung ersichtlich - auch unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen der maximale Teilkreiskreisdurchmesser stets in Lenkungsmittellage vorliegt, so dass in diesem Bereich eine hohe Klapperrobustheit gewährleistet ist.
Die Kehrseite der balligen Ausgestaltung ist jedoch, dass aufgrund des nach außen abnehmenden Teilkreisdurchmessers das Spiel des Kugelgewindetriebs im Außenbereich entsprechend zunimmt. Dieser Effekt ist in 2 durch die obere Kurve dargestellt: Der Kugelgewindetrieb weist in Lenkungsmittellage ein mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Spiel auf, welches aufgrund einer maximalen Balligkeit des Spindelbereichs nach au-ßen bis zu dem mit dem Bezugszeichen 1a gekennzeichneten Spiel zunehmen kann. Aufgrund des verhältnismäßig großen Spiels im Außenbereich, vgl. Bezugszeichen 1a, kann es bei Kurvenfahrt zu einem verstärkten Lenkungsklappern kommen.
Um dies zu verhindern, sieht das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr vor, dass bei der Bestimmung der balligkeitsabhängigen Spielgrenze/-toleranz des Kugelgewindetriebs in Mittelstellung, die Balligkeit der Zahnstange 10 im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts 14 mit berücksichtigt wird.
Hierzu wird vor Bekugelung ein Ist-Wert für die Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts 14 bestimmt und der bestimmte Ist-Wert wird mit einem hinterlegten kritischen Balligkeitswert verglichen. Ergibt der Vergleich, dass der Ist-Wert der Balligkeit größer als ein hinterlegter kritischer Balligkeitswert ist, wird für den Kugelgewindetrieb ein Spieltoleranzfeld vorgegeben, welches enger als ein vorher definiertes Normspieltoleranzfeld ist.
D.h., dem als sehr ballig eingestuften Kugelgewindespindelabschnitt 14 wird in Bezug auf das Spiel des Kugelgewindetriebs ein engeres Spieltoleranzfeld in Mittelstellung zugewiesen, vgl. Bezugsziffer 2 in 2. Aufgrund des nunmehr vorgegebenen engeren Spieltoleranzfelds, kann das Spiel nach außen nur noch bis zu den mit dem Bezugszeichen 2a gekennzeichneten Werten ansteigen. Auf diese Weise wird somit verhindert, dass ungünstige Kugelgewindetrieb-Spiele und hohe Balligkeiten zusammentreffen können und maximale Spiele im Außenbereich entstehen. Die maximalen Spiele im Außenbereich (Kurvenfahrt) können somit reduziert werden; Spiele im schraffierten Bereich werden vermieden.

Claims

Verfahren zur Festlegung eines Spieltoleranzfelds für einen mit einer Zahnstange (10) einer Zahnstangenlenkung zusammenwirkenden Kugelgewindetrieb, wobei die Zahnstange (10) einen für einen Eingriff eines Ritzels vorgesehenen Zahnstangenabschnitt (12) und einen für einen Eingriff einer Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs vorgesehenen Kugelgewindespindelabschnitt (14) aufweist und die Zahnstange (10) im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts (14) ballig ausgebildet ist, wobei verfahrensgemäß das Spieltoleranzfeld des Kugelgewindetriebs in Abhängigkeit von der Balligkeit der Zahnstange (10) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ist-Wert der Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts (14) bestimmt wird und mit einem hinterlegten kritischen Balligkeitswert verglichen wird, und dass - wenn der Ist-Wert der Balligkeit des Kugelgewindespindelabschnitts (14) größer als der kritische Balligkeitswert ist - für den Kugelgewindetrieb ein Spieltoleranzfeld festgelegt wird, welches enger als ein vorher definiertes Normspieltoleranzfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung des Spieltoleranzfeldes in Abhängigkeit von der absoluten Abweichung des Ist-Balligkeitswerts vom kritischen Balligkeitswert erfolgt.
Vorrichtung zum Bekugeln eines mit einer Zahnstange (10) einer Zahnstangenlenkung zusammenwirkenden Kugelgewindetriebs, wobei die Zahnstange (10) einen für einen Eingriff eines Ritzels vorgesehenen Zahnstangenabschnitt (12) und einen für einen Eingriff einer Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs vorgesehenen Kugelgewindespindelabschnitt (14) aufweist und die Zahnstange im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts (14) ballig ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine Regel-/Steuereinheit, der als Eingangsgröße die Balligkeit der Zahnstange (10) im Bereich des Kugelgewindespindelabschnitts (14) zur Verfügung gestellt wird und die eingerichtet ist, anhand der Balligkeit ein Spieltoleranzfeld vorzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Steuereinheit ferner eingerichtet ist, durch eine Auswahl des Durchmessers der zu bekugelnden Kugeln das vorgegebene Spieltoleranzfeld einzustellen.