DE2240720A1 - Kugelumlauf-lenkgetriebe - Google Patents

Description

PATENTANWALYSBIiRO VlOIMSEN - TlEDTKE - DüHLING

TEL (MfD .6302.11 TELEX: 5-24 303 topat ^ Ö λ f] *7 O Π

PATENTA N WALTE München: Frankfurl/M.:

Dlpl.-Chem. Dr. D. Thomson Dlpl.-Ing. W. We!nk«uff Dlpl.-Ing. H. Tledtke (FuchihoWri)

Dipl.-Chem. Q. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8 0 00 München 2

Kalser-LudWlg-Platz 6 18. August 1972

Nissan Motor Company,, Limited Yokohama City (Japan)

Kuge!umlauf-Lenkgetriebe

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Lenksysteme von Kraftfahrzeugen und insbesondere auf ein Lenkgetriebe mit Lenkschraube und umlaufenden Kugeln zur Benutzung bei Kraftfahrzeugen.

Solehe Ku gelumlauf-Lenkgetriebe besitzen eine Lenkspindel/ die mit einer -HauptLenksäule und dementsprechend mit einem Lenkrad des Kraftfahrzeuges drehbar ist. Die Lenkspinclel hat eine äußere schraubenförmige Mut zwischen ihren Achsialenden und trägt darauf eine Lenkmutter mit einer schraubenförmigen Innennut, die mit der gegenüberliegenden schraubenförmigen Nut der Lenkspindel fluchtet. Die einander gegentlber-1 Icijtjnu mi Nuton von Lenknpindel und Lenkmutter nehmen ιβineci

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endlose Kette von Stahlkugeln auf, die den Nuten entlang laufen, wenn die Lenkspindel durch die Hauptlenksäule gedreht wird, so daß die die Lenkspindel Über die Kugeln erfassende Lenkmutter parallel zur Drehachse der Lenkspindel bewegt wird. Die Lenkmutter hat Außenzähne, die eine Zahnstange bilden, die normalerweise parallel zur Drehachse der Lenkspindel und damit zur Bewegungsrichtung der Lenkmutter entlang der Lenkspindel liegt. Die Zahnstange auf der Lenkmutter steht In Eingriff mit einem gezahnten Lenksegment, das mit einem Lenkstockhebel drehbar ist, so daß die Längsbewegung der Lenkmutter über die Zähne auf der Seite der Lenkmutter auf das Lenksegment übertragen wird. Das Lenksegment seinerseits bewegt sich mit der Lenkriiutter* um dadurch den Lenkstockhebel zu drehen, so daß das Lenkgestänge betätigt wird. Die Kugeln In den schraubenförmigeil Nuten oder dem Kugellau!gewinde von Lenkspindel und Lenkmutter laufen von einem Ende der Lenkmutter zum anderen fiber ein Paar voll Kugelfüh run gar ohren, die einen Kreislauf der Kugeln durch die Kugellaufgewinde von Lenkspindel und Lenkmutter bewirken»

Es ist bekannt, daß die Lenkgetriebe unter verscftie* densten Fahrbedingungen von Kraftfahrzeugen befriedigend arbeiten und dabei stabilen LenkVorgang während Fähfct mit ho* her Geschwindigkeit, z.B. Geradeausfahrt oder Autobahnfahrt und weiche und kraftlose Handhabung beim Lenken während relativ langsamer Geschwindigkeiten, z.B. beim Einfahren in

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Garagen oder beim Umfahren von Ecken gewährleisten sollen· Mit Bezug auf die Lenkwinkel wird .es gefordert, daß diese bei Fahrt mit hoher Geschwindigkeit oder Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs auf einen relativ kleinen Bereich begrenzt sind und in einem erheblich breiten Bereich während Fahrt mit geringer Geschwindigkeit variiert werden. Es ist daher derzeit übliche Praxis, Lenkgetriebe zu verwenden, die so angeordnet sind, daß sie relativ kloine Übersetzungsverhältnisse liefern, wenn die Lenkwinkel auf einen kleinen Bereich begrenzt sind, z.B. während Fahrt mit hoher Geschwindigkeit oder Geradeausfahrt, während sie relativ große Übersetzungsverhältnisse liefern, wenn die Lenkwinkel in starkem Maße variiert werden, wie es der Fall bei niedriger Geschwindigkeit oder bei großen Lenk einschlagen der Fall ist. Es sind eine Anzahl von Varianten entwickelt worden, die auf diesem speziellen Prinzip basieren.

Die bekannten Kugelumlauf-Lenkgetriebe gemäß Vorbeschreibung benutzen die Zahnstange mit Zähnen mit einer geraden Grundteillinie, die parallel zur Drehachse der Lenkspindel liegt, so daß das durch die Verwendung eines, solchen Lenkgetriebes erhaltene Übersetzungsverhältnis, linear geradlinig mit der Änderung des Lenkwinkels in die eine oder ändere Richtung während des Lenkvorg^ngs variiert. Demzufolge neigt die Eizeugendn der Zähne,der Zahnstange zum Einschneiden in

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eine Wälzlinie der Zahnstange, wenn diese mit dem Lenkeegment durch ihre Zähne kämmt, die sich im Abstand von dem Zentrum der Zahnstange befinden, d.h. es wird die Zahnstange aus ihrer Neutralstellung wegbewegt, in der das Kraftfahrzeug ungelenkt ist. Dies führt zu Unterschneidungen in den Zähnen des Lenksegmente, die sich entfernt von der Mitte des mit der Zahnstange kämmenden Lenksegments befinden. Um die Bildung solcher Unterschneidungen in den Zähnen des Lenk segments zu vermeiden, ist es notwendig, den Abstand zwischen der Achse des Kugellaufgewindes und der Drehachse des Lenkaegnents zu erhöhen oder die Zähne der Zahnstange mit unregelmäßigen Druckwinkeln zu versehen. Diese Maßnahmen haben jedoch vergrößerte Abmessung des Lenkgetriebegehäuses zur Folge, wobei jedoch die damit verbundene Gestaltung und Auslegung mit den praktischen Zwecken nicht vereinbar ist. Da darüber hinaus das bei dem bekannten Lenkgetriebe erreichbare Übersetzungsverhältnis linear mit dem Lenkwinkel variiert, nimmt dae Übersetzungsverhältnis plötzlich zu, wenn das Lenkrad durch den Neutraipunkt in die eine oder andere Richtung gedreht wird, so daß der Eingriff zwischen den Teilen des Lenk- ) getriebe® mehr oder weniger verschlechtert wird. ■

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes 'Kugel- ' [

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umlauf-Lenkgetriebe zu schaffen, das unter den verschiedensten ' \

Fahrbedingungen des Kraftfahrzeugs zufriedenstellend arbeitet. '

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Dabei sollen bei Fahrt nlt rdativ hoher Geschwindigkeit wie Geradeausfahrt oder Fahrt auf Autobahnen stabile Lenkvorgänge gewährleistet werden und gleichzeitig ein weiches und stoßfreies Lenken bei relativ langsamer Fahrgeschwindigkeit, wie z.B. beim Einfahren in Garagen oder bei Umfahren von Ecken sichergestellt sein . Ferner soll das Lenkgetriebe Übersetzungsverhältnisse mit relativ kleinem Bereich liefern, wenn das Fahrzeug mit einem Winkel relativ kleinen Bereichs gelenkt werden soll, während Übersetzungsverhältnisse relativ großen Bereichs bei Lenkvorgängen mit einem relativ großen V7inkel erreichbar sein sollen. Dabei soll erfindungsgemäß das Lenkgetriebe Übersetzungsverhältnisse gewährleisten, die kontinuierlich mit dem Drehen des Lenkrads variiert werden. Auch sollen die Zähne des Lenksegments, das einen Teil des Lenkgetriebes bildet, von Unterschneidungen frei sein, die sich sonst aus der Grundteillinie der Zähne der Zahnstange ergeben,die in die eingreifende Wälzlinie der Zahnstange einschneidet, wenn die Zahnstange aus ihrer Neutralstellung wegbewegt wird. Das Lenken des Kraftfahrzeugs soll weich durch den Neutralpunkt durchführbar sein, an den die Lenkrichtung umgekehrt wird. Schließlich soll das erfindungsgemäße Lenkgetriebe kompakt im Aufbau und leicht wirtschaftlich herzustellen und ohne Schwierigkeit bei Kraftfahrzeugen jeglicher Bauart eingebaut werden können.

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Diese Ziele der Erfindung werden bei einem Lenkgetriebe nach der Erfindung erreicht, bei dem die Lenkmutter, die mit der Lenkspindel Ober eine endlose Kette von Kugeln in Eingriff steht, einen Zahnstangenabschnitt hat, der zumindest in seinem mittleren Abschnitt in Richtung im wesentlichen parallel zu einer Drehachse der Lenkspindel gekrümmt ist, wobei der Zahnstangenabschnitt der Lenknutter und das Lenksegment, das sich mit der Zahnstange in Eingriff befindet, komplementäre, in Eingriff kommende Wälzlinie haben, die sich aufeinander abwälzen, wenn der Zahnstangenabschnitt in Längsrichtung auf dem Lenksegment in Richtung parallel zur Drehachse der Lenkspindel bewegt wird. Die Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter ist wenigstens in deren Zentralabschnitt durch ein kreisförmiges oder sonstwie gekrümmtes Segment gebildet , wodurch das Lenkübersetzungsverh&ltnis des Lenkgetriebes in einer solchen Weise variiert wird, dafl ea e.inor weichen Kurve bei Variieren des Lenkwinkels in beide Richtungen folgt. In Abwesenheit eines scharfen Umkehrpunkts beim Variieren des Übersetzungsverhältnisses wird weicher Lenkvorgang selbst dann erhalten, wenn die Lenkrichtung von der einen zur anderen umgekehrt wird.

Dei einer bevorzugten AusfUhrungsform des Lenkgetriebe* vorba·ehriebener Bauart hat der Wälzkreis oder die VJälzllnle des Zahnstangenabechnitts der Lenkmutter einen Zentral-

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abschnitt, der durch ein Kreissegment gebildet ist» welches einen vorbestimmten Zentralwinkel und einen vorbestimmten Radius aufweist, während die entgegengesetzten Endabschnitte, die durch jeweilige im wesentlichen gerade Segmente gebildet sind, parallel zur Drehachse der Lenkspindel liegen. Der Wälzkreis des Lenksegments, das sich mit dem Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter in Eingriff befindet, hat einen Zentralabschnitt, der durch ein gekrümmtes Segment gebildet ist, das komplementär zum Kreissegment der Wälz linie des Zahnstangenabschnitts ist, wobei die entgegengesetzten Endabschnitte durch zugehörige, im wesentlichen kreisförmige Segmente gebildet sind, die komplementär zu den geradlinigen Segmenten der Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts sind. Die Anordnung dieser Art liefert LenkUbersetzungsverhältnisse, die mit zunehmendem Lenkwinkel auf vorbestimmte Grenzen in beide Richtungen zunehmen ujnd im wesentlichen konstant bleiben, wenn die Lenkwinkel sieh jenseits dieser Grenzen vergrößern. Bei einer weiteren bevorzugten ausfüharungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes hat die Wälzlinie des ■Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter-in ihrem Eentralabschnitt ein sinus-« fÖrmig gekrümmtes Segment und liefert dadurch Lenktibersetzungs verhältnis se, die innerhalb ©lass feeejrszssfcösa Bereiches mit wachsendem Lenkwlnkei großes? tfe^dea -taad die aus .dets.-be- . . grenzten Bereich weich l;©ststaa& -b©i w®&t®% sjfe@£§©näen. !!LenkwinkeIn

übergehen. In diesem Fall kann die Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter entgegengesetzte Endabschnitte haben, die durch im wesentlichen geradlinie Segmente gebildet sind, die sich an die sinusförmig gekrümmten Abschnitte anschließen, wobei gleichzeitig die Wälzlinie des Lenksegments einen Zentralabschnitt haben kann, der durch eine Kurve gebildet ist, die durch einen Punkt auf einem Kreis gezogen wird, der sich auf dem sinusförmig gekrümmten Segment abwälzt, während die entgegengesetzten Endabschnitte durch zugehörige im wesentlichen kreisförmige Segmente ersetzt sind, die komplementär zu den geradlinigen Segmenten der Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter sind.

Die Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter, die Wälzlinie des Lenksegments und die Beziehung zwischen dem Lenkübersetzungsverhältnis und dem Lenkwinkel kann bestimmt werden, wenn eine dieser Variablen gegeben ist.

Die vorbeschriebenen Merkmale des Lenkgetriebes nach der Erfindung sind sowohl bei von Hand betätigten (nicht unterstützten) Lenksystemen als auch bei Servolenksystemen anwendbar. Wird das Lenkgetriebe bei einem von Hand betätigten Lenksystem angewendet, sollte der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter wenigstens in seinem Zentralabschnitt allgemein konvexe Gestalt haben« so daß der

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Zahnstangenabschnitt und das Lenksegment Wälzlinien haben, die wenigstens in ihren Zentralabschnitten in entgegengesetzte Richtungen zueinander gekrümmt sind. Wo das Lenkgetriebe bei einer Servolenkung benutzt wird, bei der das Lenkübersetzungsverhältnis mit steigendem Lenkwinkel abnimmt, sollte der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter wenigstens in seinem Zentralabschnitt konkav gekrümmt sein, so daß der ZahnStangenabschnitt und das Lenksegment Wälzlinien haben, die zumindest in ihren Zentralabschnitten in dieselbe Richtung gekrümmt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes verdeutlicht;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die Variationen des Lenkübersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Lenkwinkel für bekannte Lenkgetriebe der beschriebenen Art verdeutlicht, und zwar im Vergleich mit den Ergebnissen beim Lenkgetriebe nach der Erfindung;

Fig. 3 ist eine analytische Darstellung, die das Arbeitsprinzip des Lenkgetriebes nach Fig. 1

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verdeutlicht!

Fig. 4 1st eine analytische Darstellung, die schematisch die Beziehung zwischen den Wälzlinien von Zahnstange und Lenksegment eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung verdeutlicht;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Variation des Lenkübersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Lenkwinkel für eilt Lenkgetriebe verdeutlicht, das nach dein Prinzip gemäß Fig. 4 arbeitet;

Fig. 6 ist eine analytische Darstellung, die schematisch die Beziehung wzwischen den ineinandergreifenden Wälzlinien von Zahnstange und Lenksegment einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes verdeutlicht?

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Änderung des Lenkübersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Lenkwinkel bei dem Lenkgetriebe verdeutlicht, das nach dem Prinzip gemäß Fig. arbeitet;

Fig. 8 ist eine analytische schematische Darstellung, die die Beziehung zwischen den Wälzlinien von Zahnstange und Lenksegment einer bevorzugten

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Ausführungsform des Lenkgetriebes verdeutlicht» das insbesondere für Servolenkungen bestimmt ist?

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung? die. die Änderung in dem Lenkübersetzungsverhältnis in Abhängigkeit vom Lenkwinkel bei dem Lenkgetriebe verdeutlicht, das t&ach dem Prinzip gemäß Fig. 8 arbeitet?

Fig.10 ist eine analytische Darstellung, die die Beziehung zwischen den MIalinien von Zahnstange und Lenksegment des Lenkgetriabes nach der Erfindung gemäß einer modifizierten Ausführungsforra verdeutlicht?

Fig«11 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Lenkübsrsetzungsverhältnis und dem Lenkwinkel verdeutlicht, wie sie . für die Bestiitmiung der WälElinien von Zahnstange und Lenksegment bei einer weiteren Ausftihrungsform benutzt wird.

Die Fig. 1 zeigt den Ges amtsaufbau des Kugcslumlauf·= Lenkgetriebes nach der Erfindung. Die Lenkgetriebeeinheit besitzt ein LenkgetriebegehHuse 20_f das an das untere Ende einer Lenksäule oder eines Lenkrohrs 22 mit Hilfe einer Sperrmutter 24 angeschlossen ist. Die Lenksäule 22 nimmt

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im Inneren eine Hauptlenkwelle 26 auf, die ihrerseits an ihrem oberen Ende an ein Lenkrad (nicht gezeigt) angeschlossen ist» wie es üblich ist.

Das untere Ende der Hauptlenkwelle 26 ist axial durch eine Lenkspindel 28 verlängert, die an ihren Enden am Lenkgehäuse 20 mittels oberer und unterer Spindellager 30 und 30' gestützt und gelagert ist. Diese Lager 30 und 30' werden normalerweise mit Hilfe von Lagerhaltern oder Kappen 32 und 32* in ihrer Lage gehalten. Die Lenkspindel 28 hat eine Außennut 28a, die zwischen den Spindellagern 30 und 30' verläuft. Eine Lenkmutter 34 sitzt axial beweglich auf der Lenkspindel 28. Die Lenkmutter 34 ist mit einer schraubenförmigen Innennut 34a versehen, die mit der Außennut 28a der Lenkspindel 28 fluchtet. Eine Reihe von Stahlkugeln 36 füllt die fluchtenden, einander gegenüberliegenden Nuten 2.8a und 34a von Lenkspindel 28 und Lenkmutter 34, und zwar in einer solchen Weise, daß sie bei Drehen der Lenkspindel 28 um ihre Achse entlang einem geschlossenen Weg rollen, der durch diese beiden Nuten 28a und 34a gebildet wird. Für eine endlose Kette von Kugeln 36 zwischen den Enden der Lenkmutter 34 ist ein Paar von Kugelführungsrohren 38 und 38* vorgesehen, die den Umlauf der Kugeln 36 von einem Ende der Lenkmutter 34 zum anderen über den durch die Nuten 28a und 34a gebildeten Weg gestatten.

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Die Lenkmutter 34 besitzt einen angeformten Zahnstangenabschnitt 40 mit Außenzähnen 40a. Dieser Zahnstangenabschnitt 40 ist allgemein in Richtung der Lenkspindel 28 gekrümmtι wobei sein Zentralabschnitt mit Bezug auf die Lenkspindel gemäß Darstellung nach außen vorsteht. Der Zahnstangenabschnitt 40 der Lenkmutter 34 steht in konstantem Eingriff mit einem zweiflügeligem Lenksegment 42 mit Außenzähnen 42a. Das Lenksegment 42 ist an eine Welle 44 angeschlossen und mit dieser drehbar; diese Welle kann ein Lenkstockhebel sein, der ein Teil des Lenkgestänges wie üblich bildet.

Der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter 34 hat eine Wälzlinie A, die durch ein Kreissegment mit einem Punkt O₁ als Zentrum gebildet ist, sov/ie eine Grundte illinie A¹, die durch ein Kreissegment mit einem Punkt 0' als Zentrum gebildet wird. Das Lenksegment 42 hat eine Wälzlinie B, die exzentrisch zur Drehachse 0, der Welle 44 ist/ v/ie es dargestellt ist.

Während des Einsatzes wird die Lenkspindel 28 um ihre Achse zusammen mit der Hauptlenkwelle 26 mit Hilfe des Lenkrads (nicht gezeigt) gedreht, so daß die Kugeln 36, sich entlang dem schraubenförmigen Weg zwischen den Nuten 28a der Lenkspindel 28 und den Nuten 24a der Lenkmutter 34 bewegen,

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Dadurch bewegt sich die Lenkmutter 34 parallel zur Drehachse der Lenkspindel 20, wobei die Bewegungsrichtung von der Drehrichtung der Lenkspindel abhängt. Die Bewegung der Lenkmutter 34 wird über den Zahnstangenabschnitt 4 0 der Lenkmutter auf das Lenksegment 42 übertragen, so daß letzteres um den Punkt O~ um einen Winkel gedreht wird, der durch den Zentralwinkel bestimmt wird, um den die Lenkspindel 28 um ihre Achse gedreht wird. Während der Längsbewegung der Lenkmutter 34 rollen die Kugeln 36 entlang den fluchtenden Nuten 28a und 34a und kehren im Kreislauf vom einen Ende der Lenkmutter zum anderen über die beiden Kugelführungsrohre 38 und 38' zurück.

Das Lenkübersetzungsverhältnis oder die Lenkübersetzung, wie sie auf diese Weise erhalten wird, ist proportional zu einem Abstand zwischen dem Drehzentrum O₂ des Lenksegments 42 und einem Kontaktpunkt P zwischen den Wälzlinien A und D von Zahnstangenabschnitt 4 0 der Lenkmutter 34 bzw. dem Lenksegment 42. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Lenksegments 4 2 wird durch eine Kurve a in Fig. 2 verdeutlicht.

In der Fig. 2 ist die Änderung des Lenkübersetzungsverhältnisses, wie es bei einem bekannten Lenkgetriebe erhalten wird« das eine gerade Zahnstange benutzt # durch die

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Linie b verdeutlicht, die einen Scheitel an ihrem Boden hat, der einem neutralen Punkt entpsricht, bei dem der Lenkwinkel

0 ist, d.h. das Fahrzeug gerade vorwärts gefahren wird. Im Gegensatz zu der auf diese Weise erhaltenen Lenkübersetzung nach dem Stand der Technik durchläuft die durch das erfindungsgemliße Lenkgetriebe erhaltene Kurve a der Lenkübersetzung den neutralen Punkt weich, so daß die Lenkrichtung stetig während des Lenkvorgangs umgekehrt wird.

Die Arbeitsweise des Lenkgetriebes nach Fig.1 wird noch deutlicher aus der Betrachtung der Fig. 3. In Fig. 3 sei angenommen, daß die Wälzlinien Λ und B von Zahnstangenabschnitt 40 der Lenkmutter und vom Lenksegment 42 miteinander in der Neutralstellung des Lenkgetriebes an den Punkten P₁ und P2 in Berührung stehen und an einem gemeinsamen Punkt P₃ miteinander in Berührung kommen, wenn der Zahnstangenabschnitt 40 entlang der Lenkspindel um eine Strecke d bewegt wird. Unter der Bedingung, daß die miteinander zusammenwirkenden Wälzlinien A und B im Punkt P₃ einander berühren, muß der Punkt P₃ auf einer Linie Y Y* gefunden werden, die vom Drehzentrum O- des Lenksegments 42 rechtwinklig auf eine Linie

⁰1 °o 9^e2o9^en ist·, die in der Bewegungsrichtung des Zahnstangenabschnitts 40 der Lenkmutter verläuft, wobei der Punkt 0_Q auf der Linie YY¹ liegt. Wenn in diesem Fall die Länge der Linie YY¹ den Wert £ hat und wenn L P₁OjP₃ = φ, ^-^p2°2^1>3 ^{= e#}

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OjP « R und O₂P - r ist, dann ergibt sich aus der Beziehung, wonach ein Dogen P₁P₃ gleich einem Bogen P₂ ^P3 ^ist'

r»de « R· cos^'dpf, und Gl. 1

r - t - R«cos0. Gl. 2

Aus Gleichung 1 und 2, folgt,

e -

■a - tan"¹

+C, Gl. 3

worin C eine Konstante ist.

Da in der Ueutralstellung des Lenkgetriebes φ - und θ » O ist, so ist C β O, so daß sich die Gl. 3 wie folgt schreiben läßtt

, ι in— -tan"

Y^² - R² tan (Φ/2Λ

Gl. 3¹

Eliminiert man φ aus Gl. 2 und 3¹, so ergibt sich das Ergebnist

r - tm, Gi. 4

dl« eine Funktion in Abhängigkeit vom Winkel β ist und die Wälzlinie B des Lenksegments 42 bestimmt.

Wird das LenkUbersetzungsverhHltnis, wie es bei den Lenkgetriebe mit dem Aufbau nach Fig. 1 erhalten wird, mit dem Buchetaben £ ,bezeichnet, dann läßt sich das überset-

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zungsverhältnis β als Verhälsnis zwischen den prehwinkeln von Lenkspindel28 und Lenksegment 42 ausdrücken/ so daß bei einer Steigung L der Lenkspindel 28 und einem Radius r des Teilkreises oder Wälzkreises des Lenksegments zu einem gegebenen Zeitpunkt die folgende Gleichung erfüllt ist» 6 = 27t r/L. Gl. 5

Wird ein übersetzungsverhältnis e._Q, wie es in der Neutralstellung vorliegen soll, und ein übersetzungsverhältnis £ , wie es unter der Bedingung erhalten v/erden soll, bei der das Lenksegment 42 um einen Winkel θ, gedreht worden ist, vorgegeben, so ergeben sich die hieraus resultierenden Radien und Jr₁ wie folgt:

^o' ^{und G1}' ⁶

-1 ^m 2 *?' ^εΐ Gl. 7

Da ferner φ.» O wenn θ » O, so folgt aus der Bezie hung gemäß Gl.2,

r m £ - R Gl. 8

Ist Ji-^₁ wenn θ » 0, dann folgt aus der Beziehung der Gl. 2,

Z Gl. 9

Aus Gl. 3', ergibt sich

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2 £ ,ι 7«2

. tan ^χ I —t ~vtan(j*/2)

-R² \ e- R

Gl. 10

Die Werte von C, R und φ^ ergeben sich durch Lösung der Gleichungen 8, 9 und 10, so daß der Radius R der Wälzlinie Λ des Zahnstangenabschnitts 40 der Lenkmutter bestimmt . ist.

Ist beispielsweise das LenkUbersetzungsverhältnis £ so festgelegt, daß £_Q = 19 bei θ « O° und L·^** 22,5 bei θ « 45°, dann ist

Z₀ - 23,80 mm,

£j « 34,IO nun, und

R « 56,58 mm.

Die auf diese Weise erhaltene Beziehung zwischen dem Lenkwinkel θ und dem sich ergebenden Übersetzungsverhältnis £, ist in Übereinstimmung mit der Kurve a in Fig. 2.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte AusfUhrungsform des Lenkgatricbes nach der Erfindung, bei dem das Lenkübersetzungsverhältnis in einem vorbestimmten Bereich mit zunehmendem Lenkwihkel vergrößert wird und auf einem konstanten Wert gehalten wird, wenn der Lenkwinkel weiter über einen

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solchen Bereich hinaus zunimmt. So hat der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter eine Wälzlinie A₁ mit einem Zentralabschnitt, der durch ein Kreissegment gebildet wird, sowie entgegengesetzten Endabschnitten, die durch geradlinige Abschnitte gebildet sind, die im wesentlichen parallel zur Drehachse der Lenkspindel verlaufen. Der kreisförmige Abschnitt der Wälzlinie A₁ hat einen Radius R und einen Zentralwinkel 2^₁ und befriedigt die durch die Gleichungen 8,9 und 10 gegebenen Beziehungen. Das Lenksegment andererseits hat eine Wälzlinie B, mit einem Zentralabschnitt, der durch ein gekrümmtes Segment gebildet wird, das die Beziehung der Gleichung 4 befriedigt und komplementär zu dem Kreissegment der Wälzlinie A₁ des Zahnstangenabschnitts ist, wobei die Wälzlinie B₁ entgegengesetzte Endabschnitte hat, die jeweils von Kreissegmenten gebildet sind, die sich an den gekrümmten Zentralabschnitt der Wälzlinie B₁ anschließen. Der gekrümmte Zentralabschnitt der Wälzlinie B₁ hat somit einen Zentralwinkel yon 2Q₁ sowie einen Zentralpunkt, der sich im Abstand T₀ vom Drehzentrum des Lenksegments befindet, während die kreisförmigen Endahschnitte der Wälzlinie B₁ einen Radius T₁ besitzen.

Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, wie es bei der Konstruktion des Lenkgetriebes nach Fig. 4 erhalten wird, bei dem das Uber-

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eet zunge verhältnis in den Bereichen von |θΙ ^ 25? konstant ist, wobei t_o « 19 bei θ « 0 und ^₁ - 22,5 bei θ - ♦ 25°, βο daß sich

die Abmessungen von Zahnetangenabschnitt der Lenkmutter und des Lenksegments wie folgt ergehen ι

r_ · 28,80 mm, IT₁ « 34,10 mm und R β 19,21 mm.

Es hat somit der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter eine Wälzlinie mit einem Kreissegment mit einem Radius 19,21 innerhalb des Bereichs \φ\ sS 43,62°, sowie geradlinige Abschnitte, parallel zur Drehachse der Lenkspindel innerhalb der Bereiche von If*I = 43,62°. Das Lenksegment hat eine Wälzlinie mit einem gekrümmten Abschnitt» der durch die Gleichung 4 bestimmt wird und im Bereich vonJet & 25° liegt, sowie Kreisabschnitte mit einem Radius von 34,10 mm innerhalb der Bereiche von ΙθΙ«25°.

Damit der gekrümmte Abschnitt der Darstellung in Fig. 5 in die geradlinigen Abschnitte übergeht, wird es bevorzugt, daß die Wälzlinie des Zahnstangenabschnitt· der Lenkmutter sinusförmige gekrümmt 1st. Wird in diesem Fall •in x-y Koordinatensystem mit dem Punkt O als «repniiig gemäß Flg. 3 errichtet und let die WHlzlinie des Zahnstangenabschnitte gegeben durch

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Gl. 11

worin Y₁ und X₁ konstante Parameter sind, dann ergibt sich die Wälzlinie des Lenksegments in den Bereichen von | θί =. θ.

Gl, 12

durch	r ■ β -Y1	•COS	(X1	•χ)	, und
• ·ί	dx
CJ st ι J K "-	vr	cos	(X1	•χ)
		2
	2-2	- χ	2

Gl. 13

Damit das Lenkübersetzungsverhciltnis im weichen
Übergang konstant wird, wenn der Lenkwinkel über B, in die eine oder andere Richtung hinausgeht, können die Parameter Y₁, X₁ und wie folgt bestimmt werden:

Gl.	14
Gl.	15
Gl.	16

&* - x, ) und

r_o)/2.

Die Flg. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter eine Wälzlinie A₂ besitzt, die in ihrem Mittelabschnitt oder Zentralabschnitt
einen sinusförmige gekrümmten Abschnitt sowie im wesentlichen geradlinige Abschnitte hat, die sich aus dem sinusförmig

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.- 22 -

gekrümmten Abschnitt weich fortsetzen, wobei das erwünschte Lenktlbersetzungs verhältnis so bestimmt wird, daß S *» 19 bei θ » O und ^₁ » 22,5 bei ΙθΙ^ 25°, wie es auch bei der Ausführungsform nach Fig. 4 der Fall ist. Die Parameter V₁, X₁ sowie 6-, wie sie in diesem Fall erhalten werden, haben die folgenden Vierte:

y, » 2,65 mm, X₁ » 0,23 mm und Z » 31,46 mm.

Das Lenksegment hat dann eine Wälzlinie B₂ mit einem Zentralabschnitt, der durch ein gekrümmtes Segment gebildet wird, wie es durch die oben genannten Gleichungen 12 und bestimmt wird und das sich in den Bereichen νοη|θ| = Q₁ befindet, wobei entgegengesetzte Endabschnitte der Wälz linie B₂ von Kreissegmenten gebildet sind, die sich weich aus dem gekrümmten Segment fortsetzen. In Fig. 7 ist graphisch die Änderung des Lenkübernetzungsverhältnisses verdeutlicht.

Die miteinander zusammenwirkenden ViUIzlinien von Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter und vom Lenksegment, das sich mit dem Zahnstangenabschnitt bei dem Lenkgetriebe nach der Erfindung in Eingriff befindet, werden in der vorbeschriebenen Heise bestimmt. Die Grund tei!linie der Zähne

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des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter ist zumindestens teilweise gekrümmt? und zwar identisch mit oder wenigstens analog mit der Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts wobei die Zahnprofile des Lenksegments durch Auswahl der Zähne des Zahnstangenabschnitts bestimmt werden, wobei die Zähne durch eine Ger ad verzahnung oder Evolventen verzahnung gebildet sein können.

Die Pig« 0 zeigt eine Ausfuhrungsform des Lenkgetriebes nach der Erfindung, wie es bei kraftunterstützten Lenksystemen oder Servolenksystemen Anwendung finden kann. Ein Servolenksystem ist generell so aufgebaut und angeordnet, daß die Lenkkraft in einem erheblichen Ausmaß vermindert wird, wobei es notwendig ist, daß das Lenktibersetzungsverhältnis in der Nähe des Neutralpunkts vergrößert wird, um abruptes Lenken zu verhindern, wie es gelegentlich bei Geradeausfahrt, auftritt, während das übersetzungsverhältnis mit zunehmendem Lenkwinkel allmählich abnehmen muß, im Gegensatz zu dem handbetätigten Lenksystem. Bei der Ausführungsform nach Flg. 8 hat daher der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter eine mittlere Wälzlinie A- mit einem Zentralabschnitt, der durch ein konkav in Richtung auf die Lenkspindel gekrümmtes Segment gebildet ist, sowie entgegengesetzte Endabschnitte, die durch geradlinige Segmente gebildet sind, die sich an das gekrümmte Segment oder den ge-

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krümmten Abschnitt anschließen. Der gekrümmte Abschnitt der Wälzlinie A- befriedigt die Gleichungen 8, 9 und 10 oder die Gleichung 11. Das Lenksegment, das sich mit dem in dieser Weise ausgebildeten Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter in Eingriff befindet, hat eine Wälzlinie B-j» die durch die Gleichung 4 bestimmt wird oder die einen Zentralabschnitt hat, der einen durch die Gleichung 4 bestimmten gekrümmten Abschnitt aufweist ,sowie entgegengesetzte Endabschnitte, die durch entsprechende Kreissegmente gebildet sind, wie sie durch die Gleichung 7 bestimmt werden. Ist die Wälz linie A-j sinusförmig gekrümmt gemäß Gleichung 11, dann erhält man den gekrümmten Abschnitt der Wälzlinie B- aus den Gleichungen 12 und 13.

Ein Beispiel für die Änderung des Lenkübersetzungsverhältnisses bei dem Lenkgetriebe der Servolenkung mit den vorbeschriebenen Merkmalen ist in Fig. 9 dargestellt, wonach das Übersetzungsverhältnis an der Neutralstellung des Lenkgetriebes seinen Maximalwert hat und mit wachsendem Lenkwinkel nach beiden Richtungen abnimmt. Nimmt der Lenkwinkel über einen vorbestimmten Grenzwert zu, bleibt das Übersetzungsverhältnis konstant, wie man es aus Fig. 9 ersieht.

Es wurde bisher angenommen, daß die Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter als erstes vorgegeben

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wird und über die Wälzlinie des Lenkseginents und die Beziehung zwischen dem Lenkwinkel (der identisch mit dem Drehwinkel des Lenksegments ist) und dem sich ergebenden übersetzungsverhältnis dominiert. Dies erfolgte jedoch nur als Beispiel; im Bedarfsfall kann die Teilung des Lenksegments oder die erwünschte Beziehung zwischen dem Lenkwinkel und dem übersetzungsverhältnis vorgegeben werden/ um dann die verbleibenden beiden Variablen zu bestimmen.

Wenn die Wälzlinie A des Zahnstangenabschnitts durch die folgende Beziehung vorgegeben wird

r = F(9), Gl. 17

dann ergibt sich das Lenkübersetzungsverhältnis wie folgt: £ = _£. F(Q). Gl. 18

Jj

Wählt man für diesen Fall ein x-y Koordinatensystem, bei dem die Abszisse durch das Zentrum O. der Wälzlinie A des Zahnstangenabschnitts und die Ordinate durch das Drehzentrum C>2 des Lenksegments gemäß Fig. 10 geht, dann erhält man die Wälzlinie Λ des Zahnstangenabschnitts aus den folgenden Beziehungen

χ =y QF(8)d9, und Gl. 19

y = t -F(e). Gl. 20

Wird elrui erwilnHchbo Beziehung zwischen dem Lenkv/inkel JO9809/0 &48

und dem LenkUbersetzungeverhältnis £ durch die folgende Beziehung vorgegeben

i - g(e), Gl. 21

dann hat dag Lenksegment eine Wälzlinie, die durch die folgende Gleichung gegeben wird»

•g(8), Gl. 22

2 ir

während der Zahnstangenabschnitt der Lenkmutter eine Wälzlinie hat, die durch die folgenden Gleichungen gegeben wird:

r²
■ ·

x _β -a | g(e)de, und Gl. 23

2 ir

y , £ » —ii g(8). Gl. 24

Die Funktion £.=» g(B) kann so sein, wie es graphisch in der Fig. 11 verdeutlicht ist. Das Verfahren für die Bestimmung der Wälzlinien, von Zahnstangonabschnitt und Lenksegment aus der Beziehung zwischen dem Lenkwinkel und dem übersetzungsverhältnis gemäß Vorbeschreibung erweist sich insofern als vorteilhaft, als es vereinfachte Gestaltung und Auslegung von Zahnstange und Lenksegment des Lenkgetriebe?! ermöglicht.

Da die GrundteiLungskurve für die? Urzeugung der Zähne der Zahnstange identisch oder zumindest analog mit der WaLz-Linie oder WliLzkurvc der Zahnstango den Lenkgetrlcber? nach

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der Erfindung ist, wird ein Unterschneiden in den Zähnen des Lenksegments, die mit der Zahnstange in Eingriff stehen, vollständig vermieden, so daß die Zahnstange ohne Schwierigkeit durch Fräsen oder durch Verwenden eines Ritzelschneiders hergestellt werden kann oder durch Schneiden des Rohlings für die Zahnstange geformt werden. Zusätzlich kann das Lenkgetriebe nach der Erfindung so angepaßt werden, daß es weichen stromlinienförmigen Lenkbetrieb insbesondere durch die Neutralstellung des Lenkgetriebes ermöglicht, da ein scharfer Wechsel bei der Änderung des Lenkübersetzungsverhältnisses auftritt.

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Claims (8)

1. — 2Ö —

   Patentansprüche

   . 1. Lenkgetriebe, gekennzeichnet durch eine am unteren Entte einer Hauptlenkwelle (26) befestigte Lenkspindel (28) mit einer äußeren schraubenförmigen Nut (28a), eine Lenkmutter (34), die auf der Lenkspindel sitzt und parallel zur Achse der Lenkspindel bewegbar ist und eine innere schraubenförmige Hut (34a) hat, die mit der äußeren schraubenförmigen Nut der Lenkspindel fluchtet, wobei die Lenkmutter ferner einen Zahnstangenabschnitt (40) aufweist, der wenigstens teilweise im wesentlichen parallel zur Achse der Lenkspindel gekrümmt ist, durch Kugeln (36), die zwischen den miteinander fluchtenden, einander gegenüberliegenden Nuten von Lenkspindel und Lenkmutter angeordnet sind, durch zwei Kugelführungsrohre (38, 38·)» die Umlauf der Kugeln von einem Ende der Lenkmutter zum anderen gestatten, wenn die Lenkspindel gedreht wird und sich die Lenkmutter in Längsrichtung hierauf bewegt, und durch ein Lenksegment (42), das mit dem Zahnstangenabschnitt (40) in Eingriff steht und bei Längsbewegung des Zahnstangenabschnitts gedreht wird, wobei die Zahnstange eine Grundteillinie hat, die im wesentlichen mit einer Wälzlinie der Zahnstange in Übereinstimmung ist, wobei der Zahnstangenabschnitt und das Lenksegment miteinander zusammenwirkende Wälzlinien haben, die sich aufeinander abwälzen, wenn der Zahnstangenabschnitt in Längs-

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   . ₂₉." 22Λ0720

   richtung auf der Lenkspindel bewegt wird, um das Lenksegment zu drehen*
2. 2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlinie (A) des Zahnstangenabschnitts (40) der Lenkmutter (34) durch ein im wesentlichen kreisförmiges Segment gebildet wird, das einen vorbestimmten Radius und einen vorbestimmten Zentralwinkel hat.
3. 3. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlinie (A) des Zahnstangenabschnitts (40) der Lenkmutter einen Zentralabschnitt hat, der durch ein Kreissegment mit einem vorbestimmten Radius und einem vorbestimmten Zentralwinkel gebildet ist, sowie entgegengesetzte Endabschnitte, die durch entsprechende im wesentlichen geradlinige Segmente oder Abschnitte gebildet sind, die sich an das Kreissegment anschließen und parallel zur Achse der Lenkspindel verlaufen.
4. 4. Lenkgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlinie (B) des Lenksegments (42) einen Zentralabschnitt hat, der durch ein gekrümmtes Segment gebildet ist, das komplementär 2um Kreissegment der Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts der Lenkmutter ist, sowie entgegengesetzte Endabschnitte, die durch im wesentlichen

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   kreisförmige Segmente gebildet sind, die komplementär zu den geraden Segmenten der Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts
5. 5. Lenkgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlinie (B) des Lenksegnents einen Zentralabschnitt hat, der durch ein gekrümmtes Segment gebildet ist, das komplementär zu dem Kreissegment der Wälzlinie (Λ) des Zahnstangenabschnitts ist, sov/ie entgegengesetzte Endabschnitte, die durch im wesentlichen kreisförmige Segmente gebildet sind, die einen vorbestimmten Radius haben und komplementär zu den geradlinigen Abschnitten der Wälzlinie des Zahnstangenabschnitts sind.
6. 6. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlinie (A2) des Zahnstangenabschnitts wenigstens teilweise ein sinusförmig gekrümmtes Segment aufweist.
7. 7. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnstangenabschnitt zumindest in seinem Mittelabschnitt generell in Richtung auf die Lenkspindel konvex gekrümmt ist.
8. 8. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge-

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   kennzeichnet, daß der Zahnstangenabschnitt zumindest in seinem Mittelabschnitt in Richtung auf die Lenkspindel konkav gekrümmt ist.

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