DE10012222A1 - Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Lenkung - Google Patents

Abstract

Für eine Lenkung eines Kraftfahrzeuges mit in der Lenkwellenverbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe liegender kardanischer, die Lenkbewegung ungleichförmig übertragender Gelenkverbindung wird eine Kompensation dieser Ungleichförmigkeit durch eine Ausgestaltung des Lenkgetriebes vorgeschlagen, bei der das Lenkgetriebe eine zur Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Gelenkverbindung entgegengerichtet ungleichförmige Übersetzung aufweist, so dass sich die wechselseitigen Ungleichförmigkeiten zumindest teilweise kompensieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einer Lenkung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen ist die Gestaltung der Lenkwellenverbindung zwischen Lenkrad und Lenk­ getriebe kritisch, u. a. aus Gründen des Unfallschutzes und aus Raumgründen. So darf die Lenkwellenverbindung bei unfallbeding­ ten Karosserieverformungen, Achsverlagerungen und/oder Lenkge­ triebeverlagerungen kein Eindringen von Lenkwellenteilen in den Fahrzeuginnenraum und/oder eine ungünstige Verlagerung des Lenkrades zur Folge haben. Sie soll ferner nicht hinderlich in der Raumausnutzung sein, und dies trotz einer Vielzahl von teils sehr sperrigen Aggregaten, die im entsprechenden Vorbau­ bereich des Fahrzeuges ebenfalls unterzubringen sind.

Dem sucht man u. a. durch Lenkwellenverbindungen mit im Übertra­ gungsweg liegenden Gelenkverbindungen Rechnung zu tragen. Diese ermöglichen zwar auch abgeknickte Verläufe der Lenkwellenver­ bindung, kürzere, und damit unter Unfallgesichtspunkten günsti­ gere und besser zu plazierende Lenkwellenabschnitte sowie eine Anpassung an die Raumgegebenheiten, bedeuten aber einen zusätz­ lichen Kostenaufwand. In der Praxis eingesetzte kardanische Ge­ lenke, insbesondere Kreuzgelenke sind zwar kostengünstig, aber in Bezug auf den zu überbrückenden Beugungswinkel unter dem Ge­ sichtspunkt einer gleichförmigen Übertragung der Lenkbewegung kritisch, da sich in Abhängigkeit von der Größe des Beugungs­ winkels eine mit der Größe des Beugungswinkels wachsende, si­ nusförmige Ungleichförmigkeit der übertragenen Drehbewegung er­ gibt, was sich negativ auf das Lenkgefühl auswirkt und kon­ struktiv eine Einschränkung in der Verwendung solcher Gelenk­ verbindungen auf kleinere Beugungswinkel bedingt.

Weiter ist bezüglich der Ansteuerung der gelenkten Räder über die Lenkung teilweise ein sich über dem Lenkeinschlag änderndes Übersetzungsverhältnis gefordert und realisiert. Durch derarti­ ge Massnahmen soll bereichsweise eine direktere oder indirekte­ re Lenkung verwirklicht werden, so bei servounterstützten Len­ kungen beispielsweise eine indirektere Lenkung um die Mittella­ ge und eine direktere Lenkung gegen die Endlagen, um die Anzahl der Lenkradumdrehungen auf ein komfortables Maß zu reduzieren.

Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen mit ei­ ner Lenkung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspru­ ches 1 ist aus der Praxis durch die Fahrzeuge der Mercedes-E- Klasse bekannt.

Ferner ist aus der EP 0 008 305 A1 eine im Übersetzungsverhält­ nis variable Lenkung bekannt, die in Richtung auf ihre Endlagen direkt oder indirekt dadurch ausgelegt werden kann, dass das Lenkgetriebe durch Kombination mit einem kardanischen Kreuzge­ lenk ein veränderliches Übersetzungsverhältnis erhält. Hierzu ist dem Lenkgetriebe bei über das Lenkrad angetriebenem Ritzel und mit diesem zusammenwirkendem Tellerradsegment, nachgeordnet zum Tellerradsegment und auf dessen zur Ritzelachse senkrecht stehender Welle, das kardanische Kreuzgelenk zugeordnet, dessen zur Tellerradwelle schwenkbare Gelenkgabel in der Lenkwelle ausläuft, die den Lenkstockhebel trägt, so dass sich in Abhän­ gigkeit von dem zwischen der den Lenkstockhebel tragenden Lenk­ welle und der Welle des Tellerradsegmentes eingeschlossenen Winkel als Beugungswinkel des Kreuzgelenkes eine Übersetzung ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kraftfahr­ zeug, insbesondere bei einem Personenkraftwagen, der eingangs genannten Art, ungeachtet der in Abhängigkeit vom Beugungswin­ kel die Lenkbewegung mit wechselndem Übersetzungsverhältnis un­ gleichförmig übertragenden Gelenkverbindung, den Einsatzbereich für solche Gelenkverbindungen, bei gutem Lenkkomfort, im Hin­ blick auf die Nutzung auch bei größeren Beugungswinkeln zu er­ weitern.

Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1, wobei dem wechselnden Übersetzungsverhältnis der Gelenkverbindung ein gegenläufiges Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangsglied und Gegenglied des Lenkgetriebes überlagert wird. Hierbei wird von dem Gedanken Gebrauch gemacht, dass bei einer Verzahnungsver­ bindung zwischen Eingangsglied und Gegenglied durch entspre­ chende Modifikation der Verzahnung über dem Verstellweg das Übersetzungsverhältnis variiert werden kann, und dass durch Überlagerung der Übersetzungsverhältnisse die Ungleichförmig­ keit der Bewegungsübertragung der Gelenkverbindung - im Sinne einer Kompensation - geglättet oder ausgeglichen werden kann.

In besonders vorteilhafter Weise lässt sich dies in Verbindung mit einer Zahnstangenlenkung realisieren, bei der das Eingangs­ glied durch ein Ritzel gebildet ist und das Gegenglied durch eine Zahnstange, wobei insbesondere die Veränderung der Zahn­ teilung der Zahnstange für die Veränderung des Übersetzungsver­ hältnisses geeignet ist, und/oder eine Veränderung des Ritzels bezüglich seines Teilkreises zur Zahnstange. Analoge Verände­ rungen in der Verzahnung sind auch bei Lenkungen, wie Kugelum­ lauflenkungen möglich, bei denen das eine Glied, insbesondere das Ausgangsglied durch ein Ritzelsegment und das Gegenglied durch eine mit Aussenverzahnung gebildete Lenkmutter gebildet ist. Entsprechendes gilt für Schneckengetriebe.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend an­ hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Lenkung eines Fahrzeuges, die als Zahnstan­ genlenkung ausgebildet ist und bei der zwi­ schen dem durch Ritzel und Zahnstange gebil­ deten Lenkgetriebe in der vom Lenkgetriebe zum Lenkrad als Betätigungsglied führenden Lenkwellenverbindung ein kardanisches, die Lenkbewegung mit wechselndem Übersetzungsver­ hältnis ungleichförmig übertragendes Gelenk angeordnet ist,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung des kardani­ schen Gelenkes,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Ungleichförmigkeit der Bewegungsübertra­ gung, wobei über dem Drehwinkel die Winkelge­ schwindigkeit der Ausgangswelle der Gelenk­ verbindung abgetragen ist, und

Fig. 4 und 5 Ausschnitte aus einer Zahnstange im Schema, die unterschiedliche Zahnstangenabschnitte mit unterschiedlichen Zahnstangenteilungen und unterschiedlichen Ritzelteilkreisen zei­ gen.

In der Schemadarstellung gemäß Fig. 1 ist mit 1 das als Betä­ tigungsglied vorgesehene Lenkrad bezeichnet, das über eine ab­ knickende Lenkwellenverbindung 2 mit einem Lenkgetriebe 3 ver­ bunden ist, welches ein Ritzel 4 als Eingangsglied und eine Zahnstange 5 als Gegenglied umfasst, die in nicht näher darge­ stellter Weise mit den einander gegenüberliegenden Rädern einer lenkbaren Achse eines Fahrzeuges verbunden ist, wobei die Räder gemeinsam durch Verschiebung der Zahnstange 5 in ihren Ein­ schlagswinkel verstellt werden. Eingeleitet wird diese Ver­ stellbewegung über das Lenkrad 1 als Betätigungsglied, das über die Lenkwellenverbindung 2 das Ritzel 4 antreibt.

Die Lenkwellenverbindung 2 besteht in der Schemadarstellung aus zwei Wellenteilen 6 und 7 von denen das Wellenteil 6 mit dem Lenkrad 1 und das Wellenteil 7 mit dem Ritzel 4 verbunden ist und die bei winkligem Verlauf zueinander über das kardanische Gelenk 8 antriebsverbunden sind.

Ein solches Gelenk 8 ist in Fig. 2 in einem Aufbau als Kreuz­ gelenk schematisiert dargestellt, wobei entsprechend Fig. 1 der an das Lenkrad 1 anschliessende Wellenteil 6 den antreiben­ den Wellenteil bildet, und der vom Gelenk 8 ausgehende, ange­ triebene Wellenteil analog zu Fig. 1 mit 7 bezeichnet ist. Die beiden Gelenkhälften sind mit 9 und 10 bezeichnet und weisen jeweils einen Gelenkbügel 11 bzw. 12 auf, wobei in den Gelenk­ bügeln Achszapfen 14 und 15 gehalten sind, die einander im Ge­ lenkmittelpunkt 16 schneiden und gegeneinander verschwenkbar verbunden sind.

Für das Gelenk 8 ist in Fig. 2 eine abgeknickte Stellung ver­ anschaulicht, in der die beiden Wellenteile 6 und 7 bezogen auf eine ihre Achsen enthaltende Ebene unter einem Beugungswinkel β zueinander stehen.

In Abhängigkeit von der Größe dieses Beugungswinkels β ergibt sich für die über das Gelenk 8 erfolgende Bewegungsübertragung eine Ungleichförmigkeit, die sich als sinusförmige Schwankung der Winkelgeschwindigkeit des vom Gelenk 8 ausgehenden Wellen­ teiles 7 darstellt und die zu einem Vor- bzw. Nacheilen des Drehwinkels dieser vom Gelenk ausgehenden Welle 7 gegenüber der das Gelenk antreibenden Welle 6 führt.

Diese Ungleichförmigkeit der Drehbewegung und damit der Winkel­ geschwindigkeit ω über dem Drehwinkel α des Wellenteiles 7 ist, bezogen auf eine gleichbleibende Winkelgeschwindigkeit der das Gelenk 8 antreibenden Welle 6 in Fig. 3 veranschaulicht, wobei im Hinblick darauf, dass die Winkelgeschwindigkeit je Umdrehung zweimal zwischen ihrem oberen und unteren Grenzwert schwankt lediglich ein Winkelbereich von 180° erfasst ist. Für diesen Drehwinkelbereich sind die Stellungen des Gelenkes 8 in den Endlagen von 0° und 180° sowie in der Zwischenlage von 90° dargestellt, wobei Minima der Winkelgeschwindigkeit bei 0° und 180° gegeben sind und das Maximum bei 90° erreicht wird, wobei in der 90°-Stellung die Achszapfen 14 und 15 beider Gelenkhälf­ ten 9 und 10 in einer zum antreibenden Wellenteil 6 senkrechten Ebene liegen. Entsprechend dem Verlauf der Winkelgeschwindig­ keit sind die Übersetzungsverhältnisse variabel, wobei, bezogen auf Fig. 3, in den Drehwinkelbereichen von 0° und 180° über das kardanische Gelenk 8 eine Übersetzung ins Langsame gegeben ist, mit einem Übersetzungsverhältnis < 1, und im Drehwinkelbe­ reich von 90° einer Übersetzung ins Schnelle, mit einem Über­ setzungsverhältnis < 1.

Die Ungleichförmigkeit der Bewegungsübertragung ist bei kleinen Beugungswinkeln β weitgehend unkritisch und wird meist nicht empfunden. Andererseits sind aber durch diese Ungleichförmig­ keiten Grenzen für noch verträgliche Beugungswinkel gesetzt.

Dem wird dadurch begegnet, dass das Lenkgetriebe so ausgestal­ tet wird, das sich in diesem ein den wechselnden Übersetzungs­ verhältnissen des Gelenkes 8 gegenläufiges Übersetzungsverhält­ nis ergibt, so dass durch Überlagerung dieser Übersetzungsver­ hältnisse eine Kompensation der Ungleichförmigkeit der Bewe­ gungsübertragung erreicht wird.

Im Schema ist dies in Fig. 1 angedeutet, wobei eine Ausgangs­ lage gemäß Fig. 3 mit einer Drehwinkelstellung von 0° angenommen ist, in der sich im Gelenk 8 eine Übersetzung ins Langsame ergibt, die Winkelgeschwindigkeit des ausgehenden Wellenteiles 7 also kleiner als des angetriebenen Wellenteiles 6 ist. Es ist somit ein Übersetzungsverhältnis i < 1 im Gelenk gegeben, das durch ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis i < 1, also ei­ ne Übersetzung ins Schnelle in der Verbindung des Ritzels 4 zur Zahnstange 5 kompensiert werden soll. Dies geschieht dadurch, dass in diesem Bereich, wie in Fig. 4 veranschaulicht, die Teilung t der Zahnstange 5 im Vergleich zu einem Zahnstangenbe­ reich (Fig. 5) größer gewählt wird, in dem eine über dem Mit­ telwert liegende Winkelgeschwindigkeit des ausgehenden Wellen­ teiles 7 zu kompensieren ist. In diesem Bereich ist eine klei­ nere Teilung t vorgesehen und im Vergleich zur Übersetzung ins Schnelle (Fig. 4) ein kleinerer Teilkreis d des Ritzels 4 rea­ lisiert.

Entsprechend der in Fig. 1 dargestellten und zum Drehwinkel 0° gemäß Fig. 3 korrespondierenden Mittellage der Zahnstangenlen­ kung, also des Ritzels 4 zur Zahnstange 5 weist die Zahnstange 5 zum Ausgleich der Ungleichförmigkeit in ihrem dem Drehwinkel 90° des Ritzels 4 entsprechenden Längenbereich einen Verzah­ nungsbereich 17 mit engerer Teilung auf, der wiederum in einem Verzahnungsbereich 18 mit weiterer Teilung übergeht, wobei die­ ser Verzahnungsbereich einem Drehwinkel 180° entspricht, und damit bezogen auf die Übersetzungsverhältnisse einem Drehwinkel von 0°.

Mit der bezogen auf das Verhältnis von Zahnstangenhub zu Lenk­ radumdrehung variablen Ausgestaltung in der Zahnstangenlenkung lässt sich die in Abhängigkeit von der Größe des Beugungswinkels ungleichförmige Bewegungsübertragung des kardanischen Ge­ lenkes über weite Winkelbereiche kompensieren oder doch zumin­ dest soweit glätten, dass der konstruktive Anwendungsbereich für derartige kardanische Gelenke in Lenkwellenverbindungen we­ sentlich erweitert wird, ohne den Lenkkomfort zu beeinträchti­ gen.

Die erläuterte und erfindungsgemäß realisierte Kompensation der in Abhängigkeit vom Beugungswinkel des Gelenkes ungleichförmi­ gen Bewegungsübertragung wird dadurch erreicht, dass die Ver­ zahnung Ritzel/Zahnstange eine Auslegung erhält, durch die der Zahnstangenhub über der Lenkradumdrehung jeweils gegenläufig zum Vor- oder Nacheilen des ausgangsseitigen Gelenkteiles ver­ größert oder verkleinert erfolgt. Dies ist unabhängig davon möglich, ob die Paarung Ritzel/Zahnstange in der Grundauslegung eine über dem Verstellweg variable Übersetzung aufweist, z. B. im Hinblick auf die Realisierung einer direkteren oder indirek­ teren Lenkung in gewissen Bereichen, wie etwa der Mittellage und/oder der Endlagen.

Claims (11)

1. Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Lenkung für die einer Achse des Fahrzeuges zugeordneten Räder und einem Lenkgetriebe, das an ein als Lenkrad ausgebildetes Betätigungselement über eine Lenkwellenverbindung angeschlossen ist, in der eine kardanische, eine Beugungswinkel einschlies­ sende und die Lenkbewegung mit wechselndem Übersetzungsverhält­ nis ungleichförmig übertragende Gelenkverbindung liegt und die auf ein Eingangsglied des Lenkgetriebes mündet, das mit einem ausgangsseitigen, verzahnten Gegenglied in Eingriff steht, wo­ bei das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangsglied und Ge­ genglied über dem Verstellweg veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass den wechselnden Übersetzungsverhältnissen der Gelenkver­ bindung (Gelenk 8) ein gegenläufiges wechselndes Übersetzungs­ verhältnis zwischen Eingangsglied (4) und Gegenglied (5) des Lenkgetriebes (3) überlagert ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsglied (4) durch ein Schneckengewinde gebildet ist.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenglied (5) durch ein Schneckenradsegment gebildet ist.

4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsglied (4) durch ein Ritzelsegment gebildet ist.

5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenglied (5) durch eine mit Aussenverzahnung verse­ hene Lenkmutter gebildet ist.

6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsglied durch eine mit Aussenverzahnung verse­ hene Lenkmutter gebildet ist.

7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenglied durch ein Ritzelsegment gebildet ist.

8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsglied (4) durch ein Ritzel gebildet ist.

9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenglied (5) durch eine Zahnstange gebildet ist.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (5) eine veränderliche Zahnteilung auf­ weist.

11. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (4) in seinem Teilkreis zur Zahnstange (5) veränderlich ist.