DE10049548B4

DE10049548B4 - Elektrische Servolenkvorrichtung

Info

Publication number: DE10049548B4
Application number: DE2000149548
Authority: DE
Inventors: Yasuo Wako Shimizu; Yasuharu Wako Ohyama; Yasuhiro Wako Terada; Shigeru Wako Yamawaki; Atsuhiko Wako Yoneda; Katsuji Wako Watanabe
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: DE10049548A1

Abstract

Elektrische Servolenkvorrichtung (10) umfassend:
einen Motor (82) zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments entsprechend einem Lenkdrehmoment;
einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus (32) für ein Lenksystem, wobei der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus eine Stangenverzahnung und ein Ritzel aufweist; und
einen Untersetzungsgetriebemechanismus (110) zum Übertragen des Hilfsdrehmoments auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, wobei
das Ritzel (33) und die Stangenverzahnung (34) des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus beide Schraubverzahnungen sind,
das Ritzel einen Schraubwinkel (θ) aufweist, der kleiner festgelegt ist als ein Reibwinkel (ρ) der Schraubverzahnung,
eine der Schraubverzahnungen ein Zahnprofil aufweist, bei dem zumindest eine Zahnkopffläche (33f, 34a) derselben ein Kreisbogen ist, der allgemein auf einer Referenzabwälzlinie (Pi) zentriert ist, und
die andere der Schraubverzahnungen ein Zahnprofil aufweist, bei dem zumindest eine Zahnfußfläche (33g, 34b) derselben ein Kreisbogen ist, der allgemein auf der Referenzabwälzlinie (Pi) zentriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkvorrichtung und insbesondere eine Verbesserung in einem Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, der in einer solchen elektrischen Servolenkvorrichtung verwendet wird.

Elektrische Servolenksysteme werden allgemein verwendet, um das Lenken leichter zu machen, indem eine zum Drehen eines Lenkrads erforderliche Kraft (nachfolgend als Lenkkraft bezeichnet) reduziert wird. Elektrische Servolenksysteme verwenden einen Elektromotor zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments entsprechend dem Lenkdrehmoment, und übertragen dieses Hilfsdrehmoment auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus des Lenksystems, wie z.B. in der JP 09-193815 A gelehrt.

Insbesondere erzeugt das elektrische Servolenksystem ein dem Lenkdrehmoment entsprechendes Hilfsdrehmoment mittels eines Elektromotors, überträgt dieses Hilfsdrehmoment durch kleine und große Kegelräder auf einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, der ein Ritzel und eine Zahnstange aufweist, und lenkt die Lenkräder mittels dieses Zahnstangen- und Ritzelmechanismus. Die Zahnstange ist eine runde Stange, an der dem Ritzel gegenüberliegend eine Stangenverzahnung ausgebildet ist. Das Ritzel und die Stangenverzahnung haben beide eine Evolventenverzahnung.

Ein Kraftfahrzeuglenksystem besitzt gewöhnlich auch einen Anschlagmechanismus, um den maximalen Drehwinkel der gelenkten Räder zu begrenzen. Insbesondere besitzt dieser Anschlagmechanismus einen Stangenverzahnungs-Endanschlag, der an jedem Längsende des Gehäuses angebracht ist, in dem die Zahnstange verschiebbar aufgenommen ist, und beispielsweise ist an jedem Ende der Zahnstange ein Kugelgelenk angebracht. Wenn sich die Zahnstange über einen bestimmten Weg verschiebt, berührt das Kugelgelenk den Stangenverzahnungs-Endanschlag. Der maximale Drehwinkel der gelenkten Räder wird somit durch Begrenzung der Bewegung der Zahnstange begrenzt.

Die Zahnstange und das Ritzel des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, der im in der JP 09-193815 A gelehrten elektrischen Servolenkvorrichtung verwendet wird, verwendet Gerad- oder Schraubverzahnungen. Das Zahnprofil dieser Gerad- oder Schraubverzahnungen ist ebenfalls evolvent. Schraubverzahnungen werden häufig bei Hochlast-, Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet, weil sie glatter eingreifen als Geradverzahnungen und weniger Schwingung und Geräusch erzeugen.

Kleine Hochlast-Schraubverzahnungen werden auch in dem Zahnstangen- und Ritzelmechanismus der oben erwähnten elektrischen Servolenkvorrichtung verwendet. Schraubverzahnungen erzeugen einen konstanten Axialdruck entsprechend dem Drehmoment, weil das Zahnprofil einen bestimmten Schraubwinkel besitzt. Der unter normalen Lenkbedingungen erzeugte Axialdruck wird durch das auf das Ritzel wirkende Gesamtdrehmoment bestimmt, d.h. das von dem Fahrer angelegte Lenkdrehmoment plus das von dem Motor erzeugte Hilfsdrehmoment.

Wenn sich die Zahnstange über den oben erwähnten bestimmten Weg verschiebt, wird eine Weiterbewegung durch den Anschlagmechanismus unterbunden. Wenn somit die Zahnstange stoppt, wird das auf das Ritzel wirkende Gesamtdrehmoment größer als während des normalen Lenkens und daher wirkt ein hoher Axialdruck entsprechend diesem kombinierten Gesamtdrehmoment. Anzumerken ist, dass hierbei das maximale kombinierte Drehmoment und der maximale Axialdruck erzeugt werden.

Der Kraftübertragungsabschnitt, die Lager, das Gehäuse und andere Komponenten der elektrischen Servolenkvorrichtung müssen auch stabil genug sein, um diesen maximalen Axialdruck auszuhalten. Eine Zunahme der Festigkeit dieser Komponenten erfordert relativ hochwertige Materialien und relativ große Komponenten. Somit wird die elektrische Servolenkvorrichtung selbst größer und teurer, sodass Raum für Verbesserungen verbleibt.

In der oben erwähnten elektrischen Servolenkvorrichtung wird das von dem Motor erzeugte Hilfsmoment (die Hilfskraft) durch einen Untersetzungsmechanismus mit kleinen und großen Kegelrädern erhöht, und die erhöhte Unterstützungskraft wird durch den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus in Axialdruck-Unterstützung gewandelt. Die Hilfskraft des Motors wird in Zahnstangenleistung mit den kombinierten Wirkungsgrad η_T = η_G × η_R gewandelt, wobei η_G der Übertragungswirkungsgrad des Untersetzungsmechanismus ist und η_R der Übertragungwirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus ist. Das Produkt von Motorunterstützungskraft und (1 – η_T) ist Leistungsverlust, die in Teileabnutzung und Wärme umgewandelt wird, und trägt zu einem Abfall der Haltbarkeit des Systems und der Leistung durch Wärme bei.

Die Wirkung des Leistungsverlustes ist besonders groß, und deshalb besteht der Wunsch, den Übertragungswirkungsgrad η_G und den Übertragungswirkungsgrad η_R in elektrischen Servolenksystemen zu verbessern, die eine Motorhilfskraft von einem Hochleistungsmotor mittels eines Untersetzungsmechanismus und eines Zahnstangen- und Ritzelmechanismus in einen Zahnstangenschub wandeln.

Die DE 42 43 267 B4 zeigt übereinstimmend mit der oben genannten JP 09-193815 A eine elektrische Servolenkvorrichtung umfassend: einen Motor zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments entsprechend einem Lenkdrehmoment; einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus für ein Lenksystem, wobei der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus eine Stangenverzahnung und ein Ritzel aufweist; und einen Untersetzungsgetriebemechanismus zum Übertragen des Hilfsdrehmoments auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus.

Über die JP 09-193815 A hinausgehend zeigt die DE 42 43 267 B4 noch, dass das Ritzel und die Stangenverzahnung des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus beide Schraubverzahnungen sind.

Erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kompakte, billige elektrische Servolenkvorrichtung mit einem Zahnstangen- und Ritzelmechanismus anzugeben, deren Haltbarkeit ausreicht, der Motorträgheits-Drehmomentlast zu widerstehen.

Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine besondere Technologie zum Verbessern des Übertragungswirkungsgrads des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus anzugeben.

Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Servolenkvorrichtung anzugeben, die einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus mit ausreichender Festigkeit relativ zur Motorträgheit aufweist, indem sie einen guten Eingriff zwischen dem Ritzel und der Zahnstange beibehält.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird eine elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1 angegeben.

Unter Verwendung von Schraubverzahnungen kann der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus ein höheres Drehmoment übertragen als eine herkömmliche Geradverzahnung.

Wenn die gelenkten Räder bis zum maximalen Lenkwinkel nach rechts oder links gedreht werden und die Zahnstange auf den Stangenverzahnungs-Endanschlag trifft, d.h. wenn sich die Zahnstange bis zum Ende ihres Bewegungsbereichs bewegt, bleibt die Zahnstange sofort stehen. Weil das Drehmoment hierbei ein Stoßdrehmoment und kein statisches Drehmoment ist, ist das Drehmoment signifikant höher als während normalen Fahrbedingungen. Weil jedoch der Schraubwinkel schraubverzahnten Ritzels kleiner als der Schraubverzahnungs-Reibwinkel ist, wirkt der Axialdruck nicht auf das Ritzel. Der auf das Ritzel wirkende Axialdruck ist nur eine extrem schwache Kraft, die während normalen Bedingungen auftritt, wenn die Stangenverzahnung nicht am rechten oder linken Ende ihres Bereichs anschlägt. Der auf die Eingangswelle wirkende Axialdruck ist daher gering, und der Axialdruck, der auf die die Eingangswelle haltenden Lager und den mit der Eingangswelle gekoppelten verzahnten Untersetzungsmechanismus wirkt, ist gering. Es ist daher nicht notwendig, die Festigkeit der Eingangswelle, der Lager und des verzahnten Untersetzungsmechanismus zu erhöhen, obwohl Schraubverzahnungen verwendet werden. Diese Komponenten können daher kleiner und billiger ausgeführt werden.

Das Zahnprofil des Ritzels und der Stangenverzahnung des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus der vorliegenden Erfindung ist ein gekrümmter Bogen. Weil ein herkömmliches Evolventenzahnprofil konvex ist, ist der Eingriff in einem Verzahnungspaar ein Kontakt zwischen zwei konvexen Oberflächen. Mit dem Bogenkrümmungs-Zahnprofil der vorliegenden Erfindung kommt es jedoch zu einem Eingriff in einem Verzahnungspaar als Kontakt zwischen einer konvexen Oberflächen und einer konkaven Oberfläche. Die Kontaktfläche ist daher vergrößert, und der Kontaktdruck ist auf angenähert 1/6 jenes eines Evolventenzahnprofils reduziert.

Durch diese Verwendung eines Bogenkrümmungs-Zahnprofils in der Stangenverzahnung und dem Ritzel des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus sind die Oberflächenermüdungsfestigkeit, die Biegefestigkeit und die Biegeermüdungsfestigkeit größer als bei einem Evolventenzahnprofil. Das bedeutet, dass der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus unserer Erfindung das kombinierte Drehmoment, das durch Addieren des Unterstützungsmoments von dem Motor zu dem Lenkmoment erreicht wird, übertragen kann, auch wenn dieses kombinierte Drehmoment größer als bei Normalbedingungen ist.

Die vorliegende Erfindung kann somit eine kompakte billige elektrische Servolenkvorrichtung angeben, die einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus mit ausreichender Haltbarkeit aufweist, um von Motorträgheit resultierenden Drehmomentlasten zu widerstehen.

Es ist weiter bevorzugt, einen Drehmomentbegrenzer zwischen dem Motor und dem verzahnten Untersetzungsmechanismus einzusetzen, um die Übertragung eines Hilfsdrehmoments, welches eine bestimmte Grenze überschreitet, von den Motor auf den Untersetzungsmechanismus zu begrenzen. Wenn die Zahnstange auf den Stangenverzahnungs-Endanschlag trifft, wird kein übermäßiges Drehmoment als Reaktion auf den Motor erzeugt, und es wird kein übermäßiges Drehmoment zur Lastseite hin übertragen.

Es ist noch weiter bevorzugt, einen Lenkdrehmomentsensor zum Erfassen von Lenkdrehmoment vorzusehen. Noch weiter bevorzugt ist der Lenkdrehmomentsensor ein Magnetostriktionssensor zum Erfassen von Magnetostriktion der Ritzelwelle des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus. Unter Verwendung eines solchen Lenkdrehmomentsensors ist es nicht erforderlich, die Eingangswelle der Länge nach zweizuteilen und diese zwei Teile unter Verwendung einer Torsionsstange zu verbinden, so wie es ist, wenn das Lenkdrehmoment unter Verwendung des Verfahrens einer herkömmlichen elektrischen Servolenkvorrichtung erfasst wird. Es ist daher auch möglich, die Eingangswelle länger zu machen. Die Bearbeitungspräzision nimmt mit größerer Länge der Ritzelwelle zu, und das Ritzel und die Zahnstangen stehen daher noch genauer in Eingriff. Es besteht eine besonders starke Korrelation zwischen der Eingriffspräzision und dem Kraftübertragungswirkungsgrad in einem Zahnstangen- und Ritzelmechanismus mit einem Bogenkrümmungs-Zahnprofil, und daher ist eine Verbesserung der Eingriffspräzision wichtig.

Der verzahnte Untersetzungsmechanismus der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt eine Kombination eines Antriebs- und Abtriebszahnrad, bei denen die Zahnoberflächen des Antriebszahnrads und/oder die Zahnoberflächen des Abtriebszahnrads mit einer reibungsmindernden Materialschicht beschichtet sind und das Antriebszahnrad und das Abtriebszahnrad spielfrei in Eingriff stehen. Eine Beschichtung mit einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten kann erreicht werden, indem man eine Beschichtung aus einem Material mit niedrigem Reibkoeffizienten aufträgt oder indem man die Zahnoberfläche mit einem Material mit niedrigen Reibkoeffizienten imprägniert.

Durch diesen spielfreien Eingriff von Antriebszahnrad und Abtriebszahnrad kommt es zu keiner Lose zwischen dem Antriebs- und Abtriebszahnrad, und ein auf Motorträgheit zurückgehendes Aufprallmoment geht nicht von der Antriebsart-Zahnoberfläche auf die Abtriebsrad-Zahnoberfläche über.

Ferner sind die Zahnoberflächen von einem oder beiden des Antriebszahnrads und des Abtriebszahnrads mit einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten beschichtet. Durch Senken des Reibkoeffizienten zwischen den Zahnoberflächen der Antriebs- und Abtriebszahnräder mittels dieser Beschichtung kann der Kraftübertragungswirkungsgrad erhöht werden, obwohl kein Spiel zwischen den Antriebs- und Abtriebsrädern vorhanden ist.

Ferner ist das Ritzel und/oder die Stangenverzahnung des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus in der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein geschmiedetes oder anderweitig plastisch bearbeitetes Teil. Daher verbleiben keine Bearbeitungsspuren auf der Zahnoberfläche, wie es der Fall wäre, wenn die Zahnoberflächen herkömmlich spanend bearbeitet wären, und die Oberflächenrauigkeit der Zähne ist glatt. Somit ist die Reibkraft von gleitgefährdeten Zahnflächen reduziert, und der Kraftübertragungswirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus ist größer.

Weil ferner das Ritzel und die Zahnstange plastisch bearbeitete Teile sind, wird keine Restspannung in den Zahnoberflächen erzeugt, wie es bei spanender Bearbeitung der Fall wäre, und daher kommt es zu weniger Verformung während der Härtung. Daher kann eine gute Zahnoberfläche mit niedriger Spannung erreicht werden, ohne das Zahnprofil nach dem Härten zu korrigieren. Anders gesagt, weil diese Teile plastisch verarbeitet werden, ist der Oberflächenrauigkeitszustand der Zähne gut, während nur wenig Spannung vom Härten oder Werkzeugspuren verbleiben. Zusätzlich wird die Festigkeit erhöht, weil eine Faserstruktur, die kontinuierlich entlang dem Zahnprofil fließt, durch die plastische Bearbeitung erreicht wird, und die Biegefestigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit sind größer im Vergleich zu spanend bearbeiteten Verzahnungen, in denen die Faserstruktur unterbrochen ist (nicht gezeigt).

Durch Bearbeitung der Zähne der Stangenverzahnung und des Ritzels zu einem Bogenkrümmungs-Zahnprofil und Erreichen dieses Bogenkrümmungs-Zahnprofils in den Zahnstangen und Ritzeln durch Schmieden oder andere plastische Bearbeitungstechnik, wird der Kontaktdruck reduziert, wird ein guter Oberflächenrauigkeitszustand erreicht, und kann eine Unterbrechung des durch das Schmierfluid gebildeten Ölfilms verhindert wird. Eine elektrische Servolenkvorrichtung mit wenig Motorleistungsverlust kann somit vorgesehen werden, weil der Kontaktwiderstand zwischen Zahnoberflächen signifikant reduziert werden kann und der Kraftübertragungswirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus verbessert ist.

Ferner ist es unter Verwendung von Schmiedestücken oder anderweitig plastisch bearbeiteten Komponenten für das Ritzel und die Stangenverzahnung mit Bogenkrümmungs-Zahnprofil möglich, eine elektrische Servolenkvorrichtung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften in diesen Materialien, weniger Spannung an der Zahnbasis, reduzierter Abnutzung und herausragender Festigkeit und Haltbarkeit vorzusehen.

Noch weiter bevorzugt ist die Zahnstange, an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, derart aufgebaut, dass die Rückseite an der Seite, die der mit der daran ausgebildeten Stangenverzahnung gegenüberliegt, zu dem Ritzel hin durch einen Einstellbolzen vermittels eines zwischenliegenden Zahnstangenführungselements und einer Druckfeder gedrückt wird, insbesondere derart, dass der Einstellbolzen direkt gegen die Rückseite des Zahnstangenführungselements drückt, wenn das Ritzel und die Stangenverzahnung in Eingriff stehen.

Ein guter Eingriff zwischen dem Ritzel und der Stangenverzahnung bleibt als Ergebnis des Zahnstangenführungselements erhalten, welches die Zahnstange konstant zu dem Ritzel drückt, und der Kraftübertragungswirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus kann somit stabilisiert werden. Ein Unterstützungsmoment von dem Motor kann besonders effizient von dem Ritzel auf die Zahnstange auch während Hochlastzuständen übertragen werden, wie etwa dann, wenn die Räder bei stehendem Fahrzeug gedreht werden. Im Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen Evolventenzahnprofils ist daher ein kleineres Unterstützungsmoment erforderlich, und es kann eine elektrische Servolenkvorrichtung mit geringem Stromverbrauch vorgesehen werden.

Ferner ist die Abnutzung der Zahnoberfläche reduziert, weil das Bogenkrümmungs-Zahnprofil durch Schmieden oder ein anderes plastisches Bearbeitungsverfahren geformt ist. Es ist daher möglich, eine elektrische Servolenkvorrichtung anzugeben, die einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus mit geringem Spiel aufweist, auch ohne mittels einer Einstellfeder Druck auszuüben.

Weil ferner das Zahnprofil von Stangenverzahnung und Ritzel wie oben beschrieben ein gekrümmter Bogen ist, ist die Kontaktfläche der in Eingriff stehenden Zähne größer als bei einem Evolventenzahnprofil. Weil der Kontaktdruck sinkt, ist auch das Gleiten der Zahnoberfläche glatter. Man kann auch ein gutes Lenkgefühl in dem Lenkrad erhalten, obwohl ein Einstellbolzen die Zahnstange direkt stützt, sodass sie die Zahnstange in Reaktion auf die starke Kraft, die orthogonal zur Längsachse erzeugt wird, nicht zurückbewegen wird, wenn ein hohes Moment durch Motorträgheit auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus einwirkt.

Die Zahnbreite der Stangenverzahnung, die an der Zahnstange in der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, ist größer als der Durchmesser der Zahnstange an dem Teil, wo die Stangenverzahnung nicht gebildet ist.

Die Zahnstange kann aus runden Stangen oder Rohr-Ausgangsmaterial hergestellt werden.

Die Zahnstange, an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, kann kippfrei und in Längsrichtung verschiebbar in einem Gehäuse aufgenommen sein. Eine Kippkraft wirkt auf die Zahnstange ein, wenn das Ritzel und die Stangenverzahnung Schraubverzahnungen sind, wobei aber diese Kippwirkung auf die Zahnstange in der vorliegenden Erfindung unterbunden wird. Daher kann ein guter Eingriff zwischen dem Ritzel und der Stangenverzahnung beibehalten werden.

Bevorzugt ist die Rückseite der Zahnstange gegenüber der Oberfläche, an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, konvex, und es ist eine Stangenführung angeordnet, die ein konkaves Ende zum Kontaktieren der konvexen Rückseite an Kontaktstellen aufweist und die konvexe Rückseite der Zahnstange zur Stangenverzahnung hin drückt. Diese Kontaktstellen sind in Relation zur Zahnstange, die von dem Gehäuse gehalten wird, so gesetzt, dass das konkave Ende das Kippen des konvexen Teils der Zahnstange beschränkt, wenn eine Kippkraft auf die Zahnstange wirkt. Die Zahnstange ist hierdurch so aufgenommen, dass sie in dem Gehäuse nicht kippen kann.

Die Zahnstangenführung drückt bevorzugt das Führungselement mit dem konkaven Ende zur Seite der Zahnstange hin, und zwar mittels eines Einstellbolzens und einer zwischenliegenden Druckfeder. Der Einstellbolzen drückt direkt auf die Rückseite der Oberfläche, an der das konkave Ende gebildet ist, zu dem Führungselement, wenn das Ritzel und die Stangenverzahnung in Eingriff stehen.

Wenn ein Drehmoment von dem Ritzel auf die Stangenverzahnung während des Lenkens übertragen wird, wirken Kräfte auf die Zahnstange in der Richtung der Längsachse und in der hierzu orthogonalen Richtung.

Weil der Einstellbolzen direkt gegen die Rückseite des Führungselements drückt, kann sich die Stangenverzahnung in Folge der Kraft in der Längsachsenrichtung nicht zurückbewegen. Daher kann immer ein guter Eingriff zwischen dem Ritzel und der Stangenverzahnung beibehalten werden. Ferner ist, als Ergebnis des Bogenkrümmungs-Zahnprofils, die Kontaktfläche groß und der Kontaktdruck zwischen den Eingriffsflächen ist reduziert, und das Gleiten zwischen den Zahnoberflächen ist daher glatter.

Noch weiter bevorzugt sind ein Halteteil, durch das die Zahnstange mittels zwischenliegender Lager an einem Gehäuse gehalten ist, und ein Stangenverzahnungs-Bildungsteil, an dem die Stangenverzahnung gebildet ist, an der Zahnstange angeordnet. Der zur Achse des Stangenverzahnungsbildungsteils orthogonale Schnitt ist ein Kreisschnitt mit gleichem Durchmesser wie das Halteteil, und der Abstand von der Mitte dieses Kreisschnitts zu der Referenzabwälzlinie ist auf eine bestimmte Dimension gesetzt. Die tatsächliche Zahnbreite der Stangenverzahnung ist größer als die Zahnbreite der Stangenverzahnung, die durch diese spezifische Dimension bestimmt ist.

Indem man somit die Zahnbreite der Stangenverzahnung tatsächlich größer macht als die Zahnbreite der herkömmlichen Zahnstange, wird die mechanische Festigkeit (Biegefestigkeit und Tragfestigkeit) der Stangenverzahnung verbessert, und es kann ein Zahnstangen- und Ritzelmechanismus mit einer ausreichenden Festigkeit erreicht werden, welche die Drehmomentenlast durch Motorträgheit aushält. Die Starrheit des Teils der Zahnstange, an dem die Stangenverzahnung nicht ausgebildet ist, braucht nur vergleichbar einer herkömmlichen Zahnstange sein, weil sie lediglich verschoben wird, um während des Lenkens die Räder zu verlagern. Das Gewicht der Zahnstange kann auch beschränkt werden, weil es lediglich erforderlich ist, die Zahnbreite der Stangenverzahnung zu erhöhen.

Es ist weiter bevorzugt, die Zahnbreite der an der Zahnstange ausgebildeten Stangenverzahnung größer zu machen als den Durchmesser der Zahnstange in dem Teil, wo die Stangenverzahnung nicht ausgebildet ist.

Bestimmte bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail hier als Beispiel unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeuglenksystems nach der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B beschreiben das Prinzip, wodurch ein magnetostriktiver Drehmomentsensor, der als in 1 als der Lenkdrehmomentsensor benutzt wird, arbeitet;
3 ist ein Überblick über die elektrische Servolenkvorrichtung von 1;
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 4-4 von 3;
5 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 5-5 von 4;
6 ist eine vergrößerte Schnittansicht des in 5 gezeigten Drehmomentbegrenzers;
7A bis 7D zeigen einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, bei dem das Ritzel und die Stangenverzahnung Schraubverzahnungen sind;
8A bis 8C zeigen einen Betrieb von Ritzel und Zahnstange mit Schraubverzahnung;
9A und 9B zeigen eine Variante des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus von 8A;
10 ist eine Schnittansicht einer Varianten des verzahnten Untersetzungsmechanismus;
11 ist eine Schnittansicht entlang Linie 11-11 von 10;
12 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeuglenksystems nach einer zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine Schnittansicht der in 12 gezeigten elektrischen Servolenkvorrichtung;
14 ist eine Perspektivansicht der Zahnstange in der zweiten Ausführung;
15 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 15-15 von 14;
16 zeigt die Herstellungsschritte für die in 15 gezeigte Zahnstange;
17 ist ein schematisches Diagramm des Zahnprofils von Ritzel und Stangenverzahnung in der zweiten Ausführung;
18 ist eine Schnittansicht mit Darstellung einer Variante der Zahnstange in der zweiten Ausführung, hergestellt aus Rohr-Ausgangsmaterial;
19 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 19-19 von 18;
20 zeigt die Herstellungsschritte für die Zahnstange der in den 18 und 19 gezeigten Variante;
21 ist ein schematisches Diagramm einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
22 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 22-22 von 21;
23 ist eine Planschnittansicht der in 21 gezeigten Zahnstange;
24 ist eine Schnittansicht der elektrischen Servolenkvorrichtung nach der dritten bevorzugten Ausführung;
25 ist eine Schnittansicht des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und eines Zahnstangenführungsmechanismus in der dritten bevorzugten Ausführung;
26 zeigt die Wirkung der in 25 gezeigten Zahnstange und Zahnstangenführung;
27 ist eine Schnittansicht mit Darstellung der Wirkung des in 25 gezeigten Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und der Zahnstangenführung;
28 ist eine Perspektivansicht einer ersten Variante der dritten Ausführung;
29 ist eine Schnittansicht des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und der Zahnstangenführung unter Verwendung der in 28 gezeigten Zahnstange;
30 ist eine Schnittansicht mit Darstellung der Wirkung des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und der in 29 gezeigten Zahnstangenführung;
31 ist eine Schnittansicht einer zweiten Variante der dritten Ausführung, wobei ein Kontakthalter zur Zahnstangenführung ein Rotationskörper ist;
32 ist eine Schnittansicht der Zahnstange in einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei das Teil der Zahnstange, wo die Stangenverzahnung ausgebildet ist, und das Teil, wo die Stangenverzahnung nicht ausgebildet ist, koaxial sind;
33 ist eine Perspektivansicht einer Zahnstange, die zum Vergleich mit der Zahnstange der vierten Ausführung gezeigt ist;
34 ist eine Schnittansicht entlang Lini 34-34 von 33;
35 illustriert, wie die in 34 gezeigte Stangenverzahnungsbreite erhalten wird;
36 ist eine Perspektivansicht einer Zahnstange in einer Variante der vierten Ausführung, in der der Durchmesser des Teils der Zahnstange, wo die Stangenverzahnung ausgebildet ist, größer ist als der Durchmesser des Teils, wo die Stangenverzahnung nicht ausgebildet ist; und
37 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 37-37 von 36.
Die folgende Beschreibung ist eher beispielhafter Natur und soll die Erfindung, deren Anwendung oder Gebräuche keineswegs einschränken.
Erste Ausführung
1 zeigt eine elektrische Servolenkvorrichtung 10 nach der vorliegenden Erfindung, die einen Motor 82 aufweist, der ein Hilfsdrehmoment für das Lenksystem 22 von dem Lenkrad 11 auf die gelenkten Räder 21 erzeugen.
Das Lenkrad 11 dieser elektrischen Servolenkvorrichtung 10 ist mittels einer zwischengeschalteten Lenkwelle 12 und Universalgelenken 13 mit einer Eingangswelle 31 gekoppelt. Ein Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 ist mit der Eingangswelle 31 verbunden, und rechte und linke gelenkte Räder 21 sind mittels rechter und linker Spurstangen 37 an den Enden des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 angebracht.
Der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 umfasst ein Ritzel 33, das an der Eingangswelle 31 angeordnet ist, sowie eine Zahnstange 35, die eine mit dem Ritzel 33 kämmende Stangenverzahnung 34 aufweist.
Die elektrische Servolenkvorrichtung 10 umfasst ferner einen Lenkdrehmomentsensor 70.
Mit der so angeordneten elektrischen Servolenkvorrichtung 10 wird ein Lenkdrehmoment, das von dem das Lenkrad drehenden Fahrer erzeugt wird durch die Eingangswelle 31, den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 und die rechten und linken Spurstangen 37 zum Lenken der rechten und linken gelenkten Räder 21 übertragen.
Insbesondere wird das Lenkdrehmoment, welches von dem Lenkrad 11 auf das Lenksystem 22 ausgeübt wird, von dem Lenkdrehmomentsensor 70 erfasst, und er gibt ein Erfassungssignal an ein Steuergerät 81 aus. Auf der Basis dieses Erfassungssignals erzeugt das Steuergerät 81 ein Steuersignal, welches bewirkt, dass der Motor 32 entsprechend dem Lenkdrehmoment ein Hilfsdrehmoment erzeugt. Das Hilfsdrehmoment wird durch einen Drehmomentbegrenzer 90, einen verzahnten Untersetzungsmechanismus 110, und eine Eingangswelle 31 auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 des Lenksystems 22 übertragen, um das Lenken der rechten und linken gelenkten Räder mittels des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 und den rechten und linken Spurstangen 37 zu unterstützen. Somit werden die gelenkten Räder 21 unter Verwendung des kombinierten Drehmoments des Hilfsdrehmoments von dem Motor 82 und des Lenkdrehmoments, das von dem das Lenkrad 11 drehenden Fahrer erzeugt wird, gelenkt.
Die 2A und 2B zeigen das Prinzip des Lenkdrehmomentsensors 70, der in der elektrischen Servolenkvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
Der in dieser bevorzugten Ausführung verwendete Lenkdrehmomentsensor 70 ist ein Drehmomentsensor vom Magnetostriktionstyp, der eine elektrische Spule verwendet, um die Magnetostriktion elektrisch zu erfassen, die gemäß dem auf die Eingangswelle 31 wirkenden Drehmoment erzeugt wird, das eine Magnetostriktionscharakteristik hat, die einer Stahlstange ähnlich ist. Ein Drehmomentsensor vom Magnetostriktionstyp dieser Bauart wird z.B. in der JP 6-221940 A gelehrt. Der Drehmomentsensor 70 wird weiter unten beschrieben.
Der in 2A gezeigte Lenkdrehmomentsensor 70 besitzt eine Erregungswicklung 71 und eine Erfassungswicklung 72, die jeweils im Wesentlichen die gleiche Größe haben und grundliegend 8-förmig gestaltet sind, im Wesentlichen koaxial und orthogonal zueinander gestapelt sind, um einen Magnetkopf 73 zu bilden, der nahe dem Außenumfang der Eingangswelle 31 angeordnet ist. Anders gesagt, die 8-förmig gestaltete Erregungswicklung 71 ist in Bezug auf den Außenumfang der Eingangswelle 31 angeordnet, und die 8-förmig gestaltete Erregungswicklung 72 ist auf die Erregungswicklung 71 mit einer 90 Grad Phasenverschiebung zur Erregungswicklung 71 gestapelt. Der geradlinige Teil der 8-förmigen Konfiguration der Erregungswicklung 71 ist im Wesentlichen parallel zur Außenseite der Eingangswelle 31 oder im Wesentlichen parallel zur Achsrichtung der Eingangswelle 31. Auch in 2A gezeigt sind eine Erregungsspannungsquelle 74 und ein Ausgangsspannungsverstärker 75.
Wenn eine hochfrequente Wechselspannung (Erregungsspannung) im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz von der Erregungspannungsquelle 74 der Erregungswicklung 71 zugeführt wird, wird eine Wechselspannung mit der gleichen Frequenz wie der Erregungsspannung aus der Erfassungswicklung 72 entsprechend der Magnetostriktion der Eingangswelle 31 in Antwort auf das Lenkdrehmoment erhalten. In Abhängigkeit von der Richtung des auf die Eingangswelle wirkenden Drehmoments ist die Phase dieser Ausgangsspannung zur Phase der Erregungsspannung entweder gleich oder entgegengesetzt. Die Amplitude der Ausgangsspannung ist proportional zur Höhe des Drehmoments. Es ist daher möglich, die Größe und Richtung des Drehmoments durch synchrone Kommutation der Ausgangsspannung in Bezug auf die Phase der Erregungsspannung zu erfassen.
Die Ausgangsspannung wird dann durch den Ausgangsspannungsverstärker 75 verstärkt und dem Steuergerät 31 als Erfassungssignal von dem Lenkdrehmomentsensor 70 zugeführt.
Anzumerken ist, dass die oben beschriebene Konfiguration an die Magnetisierungskraft der Eingangswelle 31 angepasst werden kann, indem man lediglich die Windungsanzahl in der Erregungswicklung 71 und der Erfassungswicklung 72 erhöht oder senkt, um sicherzustellen, dass die Spulen in den Erregungs- und Erfassungswicklungen 71, 72 zueinander abwechselnd sind.
Der in 2B gezeigte Lenkdrehmomentsensor 70 besitzt zwei Magnetköpfe 73, die jeweils eine Erregungswicklung 71 und eine Erfassungswicklung 72 aufweisen. Diese zwei Magnetköpfe 73 sind nahe dem Außenumfang der Eingangswelle 31 und zur Achse der Eingangswelle 31 symmetrisch angeordnet. In diesem Fall verstärkt der Ausgangsspannungsverstärker 75 die Differenz zwischen den Erfassungssignalen von den Erfassungswicklungen 72 zum Erhalt eines Lenkdrehmomentsignals, das durch Änderungen der Umgebungstemperatur signifikant unbeeinflusst ist.
Unter Verwendung des in 2B oder 2B gezeigten Lenkdrehmomentsensors 70 in einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, die Eingangswelle 31 in zwei Längsteile zu unterteilen und diese zwei Teile unter Verwendung einer Torsionsstange zu verbinden, wie es der Fall wäre, wenn das Lenkdrehmoment unter Verwendung des Verfahrens einer herkömmlichen elektrischen Servolenkvorrichtung erfasst wird.
Zusätzlich zur Vereinfachung der Eingangswelle 31 ist es daher auch möglich, die Länge der Eingangswelle 31 zu vergrößern. Ferner ist es leichter, die Eingangswelle 31 in die Bearbeitungsmaschine einzusetzen, wenn das an der Eingangswelle 31 angeordnete Ritzel 33, wie in 1 gezeigt, bearbeitet wird. Die Präzision spanender Bearbeitung ist daher höher, und daher können das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 so hergestellt werden, dass sie präzise eingreifen. Der Kraftübertragungswirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 ist daher verbessert.
3 ist eine Übersicht der kompletten elektrischen Servolenkvorrichtung nach dieser ersten Ausführung der Erfindung. Anzumerken ist, dass die Zahnstange 35 dieser elektrischen Servolenkvorrichtung 10 in einem Gehäuse 41 derart aufgenommen ist, dass sie entlang der Achsrichtung der Zahnstange 35 gleiten kann.
Auf jedes Ende der Zahnstange 35, das in Achsrichtung aus dem Gehäuse 31 vorsteht, ist ein Kugelgelenk 36 aufgeschraubt. Mit diesen Kugelgelenken 36 sind rechte und linke Spurstangen 37 verbunden. Das Gehäuse 41 besitzt Träger 42 zum Anbringen der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 an dem Chassis (in der Figur nicht gezeigt), und einen Anschlag 43 an jedem Ende in der Achsrichtung.
Wenn sich die Zahnstange 35 über einen bestimmten Weg nach rechts verschiebt, berührt das Zahnstangenende 38, das ist die Kontaktfläche des linken Kugelgelenks 36, den Anschlag 43. Wenn die Zahnstange 35 an einem bestimmten Weg nach links verschiebt, berührt das Zahnstangenende 38, das ist die Kontaktfläche des rechten Kugelgelenks 36, den Anschlag 43. Durch diese Bewegungsbegrenzung der Zahnstange 35 begrenzen die Anschläge 43 den maximalen Lenkwinkel der rechten und linken gelenkten Räder 21 (siehe 1). Wenn sich die Zahnstange 35 zum Ende ihres Bewegungsbereichs bewegt, werden die rechten und linken gelenkten Räder 21 zu dem maximalen Lenkwinkel gedreht. Anzumerken ist, dass in 3 gezeigten Manschetten 44 für eine Staubdichtung sorgen.
Wie in 4 gezeigt, besitzt die elektrische Servolenkvorrichtung 10 eine Eingangswelle 31, einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32, einen Lenkdrehmomentsensor 70, einen Drehmomentbegrenzer 90 (siehe 1) und einen Untersetzungsmechanismus 110, der in dem Gehäuse 41 aufgenommen ist. Die obere Öffung des Gehäuses 41 ist mit einem Deckel 45 verschlossen. Der Lenkdrehmomentsensor 70 ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem Deckel 45 angebracht, kann jedoch alternativ an dem Gehäuse 41 befestigt sein.
Das Gehäuse 41 hält drehbar das Unterende und den Längsmittelteil der Eingangswelle 31 mittels zweier Lager 51 und 52. Das Gehäuse 41 besitzt ferner eine Zahnstangenführung 60. Auch gezeigt sind ein Deckelhaltebolzen 73 und ein Haltering 54.
Am Unterende der Eingangswelle 31 ist ein Gewinde 55 ausgebildet, wobei das Ritzel 33 integral an der Eingangswelle 31 direkt über dem Gewinde 55 angeordnet ist. Das Oberende der Eingangswelle 31 steht von der Oberseite des Deckels 45 vor. Diese Eingangswelle 31 wirkt somit als Ritzelwelle. Die Bewegung in Längsrichtung der Eingangswelle 31 wird durch Aufschrauben einer Mutter 56 auf das Gewinde 55 begrenzt. Auch gezeigt sind eine Kappenmutter 57, eine Öldichtung 58 und ein Abstandshalter 59.
Die Zahnstangenführung 60 umfasst ein Führungselement 61, welches die Zahnstange 35 von der der Stangenverzahnung 34 entgegengesetzten Seite her berührt, und einen Einstellbolzen 63, um das Führungselement 61 mittels einer Druckfeder 62 vorzuspannen. Durch geeignete Einstellung des Einstellbolzens 63 in dem Gehäuse 41 mit dieser Zahnstangenführung 60 drückt die Druckfeder 62 das Führungselement 61 mit einer geeigneten Kraft gegen die Stangenverzahnung 34, und drückt hierdurch die Stangenverzahnung 34 gegen das Ritzel 33. Anzumerken ist, dass in 4 auch ein Kontaktelement 64 gezeigt ist, das gegen die Zahnstange 35 gedrückt wird und eine glatte Drehung derselben ermöglicht, sowie eine Haltemutter 65.
5 zeigt die Relativpositionen der Eingangswelle 31, des Motors 82, des Drehmomentbegrenzers 90 und des Untersetzungsmechanismus 110.
Der Motor 82 ist an dem Gehäuse 41 angebracht. Die Ausgangswelle 83 des Motors 82 erstreckt sich in das Gehäuse 41.
Der Untersetzungsmechanismus 110 ist ein Drehmomentübertragungsmittel zur Übertragung eines von dem Motor 82 erzeugten Hilfsdrehmoments auf die Eingangswelle 31. Es handelt sich um einen Schneckengetriebemechanismus mit einer Kombination von Antriebs- und Abtriebszahnrädern. Der Untersetzungsmechanismus 110 umfasst eine Übertragungswelle 111, die mittels eines zwischengeschalteten Drehmomentbegrenzers 90 mit der Ausgangswelle 83 des Motors 82 verbunden ist; eine Schnecke (Antriebszahnrad) 112, die an der Übertragungswelle 111 ausgebildet ist; und ein Schneckenrad (Abtriebszahnrad) 113 , das mit der Eingangswelle 31 verbunden ist und mit der Schnecke 112 in Eingriff steht. Das Hilfsdrehmoment von dem Motor 82 wird über die Eingangswelle 31 auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 übertragen (siehe 1).
Ein Merkmal unserer Erfindung ist, dass eine Beschichtung aufs reibungsminderndem Material durch eine Oberflächenbearbeitungstechnik auf die Zahnflächen der Schnecke 112 und/oder die Zahnflächen des Schneckenrads 113 aufgetragen ist. Eine Beschichtung aus reibungsminderndem Material kann beispielsweise aufgetragen werden durch Beschichten der Zahnfläche mit reibungsminderndem Material oder durch Imprägnieren der Oberflächen mit einem reibungsminderndem Material. Der Kraftübertragungswirkungsgrad wird verbessert, indem der Reibkoeffizient der Gleitflächen zwischen den Zahnflächen der Schnecke 112 und den Zahnflächen des Schneckenrads 113 auf einen spezifischen Wert gesenkt wird.
Beispiele reibungsmindernder Materialien umfassten Polytetrafluorethylen (PTFE), was unter dem Namen Teflon^® verkauft wird. Fluorpolymere haben typischerweise einen sehr niedrigen Reibkoeffizienten und sind daher als reibungsmindernde Materialien gut geeignet.
Oberflächenbearbeitungstechniken, um unter Verwendung dieser reibungsmindernden Materialien eine Schicht mit niedrigem Reibkoeffizienten aufzutragen, beinhalten erste und zweite Oberflächenbearbeitungsverfahren, die unten weiter beschrieben werden.
In dem ersten Oberflächenbearbeitungsverfahren werden die Schnecke 112 und das Schneckenrad 113 aus Kohlenstoffstahl für Maschinenstrukturen hergestellt, einschließlich JIS-G-4051-Kohlenstoffstahl. Autokatalytischer Nickel und PTFE werden auf die Zahnflächen der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 in einer spezifischen Bearbeitungslösung aufgetragen, sodass eine gleichförmige Verteilung von 10 % bis 30 % PTFE per Volumen in der Beschichtung vorhanden ist. Die autokatalytische Nickel und PTFE-Beschichtung wird dann mit den Oberflächen der Zähne unter Verwendung eines Erwärmungsprozesses (Sintern bei angenähert 400°C) fest gebunden. Die Beschichtungsdicke beträgt 5 μm bis 20 μm. NIFGRIP^TM von Ulvac Techno, Ltd., ist ein Beispiel eines Produkts, welches unter Verwendung dieses ersten Oberflächenbearbeitungsverfahrens hergestellt wird.
In dem zweiten Oberflächenbearbeitungsverfahren werden die Schnecke 112 und das Schneckenrad 113 ebenfalls aus Kohlenstoffstahl für Maschinenstrukturen hergestellt, einschließlich JIS-G-4051-Kohlenstoffstahl. Dann wird ein poröser Film aus Nickel und Phosphor auf den Zahnflächen der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 unter Verwendung eines autokatalytischen Beschichtungsverfahren gebildet. Dieser poröse Film wird dann mit PTFE imprägniert und mit Wärme behandelt (Sintern bei angenähert 400°C), um die Beschichtung mit den Zahnflächen fest zu verbinden. Die mit der Zahnfläche verbundene Beschichtung ist ein poröser Film aus granulär abgeschiedenem Nickel und Phosphor, imprägniert mit PTFE, und hat eine Dicke von 5 μm bis 20 μm. NEDOX^® von Ulvac Techno, Ltd. ist ein Beispiel eines Produkts, das unter Verwendung dieses zweiten Oberflächenbearbeitungsverfahrens hergestellt wird.
Die Übertragungswelle 111 ist koaxial zur Ausgangswelle 83 angeordnet und ist an dem Gehäuse 41 mittels zweier zwischengeschalteter Lager 114, 115 drehbar gehalten. Das erste Lager 114, das nahe der Ausgangswelle 83 angeordnet ist, ist in Bezug auf die Achsrichtung der Übertragungswelle 111 an dem Gehäuse 41 unbeweglich angebracht. Das zweite Lager 115, das fern von der Ausgangswelle 83 angeordnet ist, ist ebenfalls in Bezug auf die Achsrichtung der Übertragungswelle 111 an dem Gehäuse 41 unbeweglich angebracht.
Das zweite Lager 115 wird zur Ausgangswelle 83 durch einen Einstellbolzen 170 mittels einer zwischengeschalteten leichten Blattfeder 116 gespannt. Durch Einstellung der Position des zweiten Lagers 115 mittels des Einstellbolzens 117 kann die Übertragungswelle 111 eingestellt werden, um jegliches Spiel in deren axialer Richtung zu beseitigen.
Durch weitere Einstellung des Axialhubs der Schnecke 112 können die Schnecke 112 und das Schneckenrad 113 eingestellt werden, um jegliches Spiel zu beseitigen, während eine geeignete Reibung erhalten bleibt, wenn die Schnecke 112 und das Schneckenrad 113 in Eingriff sind.
Die thermische Ausdehnung in Achsrichtung der Übertragungswelle 111 kann ebenfalls durch die Elastizität der Blattfeder 116 aufgenommen werden.
Anzumerken ist, dass in 5 auch eine Haltemutter 118 und ein Haltering 119 gezeigt sind.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bewirkt wird, dass die Zähne der Schnecke 112 und die Zähne des Schneckenrads 113 spielfrei in Eingriff stehen. Das Mittel, durch das ein Spiel beseitigt wird, wird beispielsweise durch irgendeine Kombination der folgenden vier Faktoren erreicht:

(1) Herstellung der Schnecke 112 aus Metall und Beschichten der Zahnoberflächen derselben mit einem Material mit niedrigem Reibkoeffizienten.
(2) Verwenden eines Harz- oder Kunststoff-Schneckenrads 113.
(3) Setzen des Abstands X von der Mitte O₁ der Schnecke 112 zur Mitte O₂ des Schneckenrads 113 auf einen spezifischen theoretischen Wert (Referenzwert).
(4) Setzen des Referenz-Wälzkreisdurchmessers d₁ der Schnecke 112 oder des Referenz-Wälzkreisdurchmessers d₂ des Schneckenrads 113 ein wenig größer als einen spezifischen theoretischen Wert (Referenzwert).

Wenn der Untersetzungsmechanismus 110 zusammengebaut ist, kämmen die Zahnfläche der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 mit einem Druck entsprechend der Differenz zwischen den dazwischen wirkenden Referenz-Wälzkreisdurchmessern d₁ und d₂. Dies beseitigt Lose (Eingriffsspalt) zwischen den Zähnen der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 und beseitigt somit Spiel. Weil kein Spiel vorhanden ist, wird kein Drehmomentstoß von der Trägheit des Motors 82 von den Zahnflächen der Schnecke 112 auf die Zahnflächen des Schneckenrads 113 übertragen. Die Haltbarkeit des Untersetzungsmechanismus 110 ist somit weiter verbessert.
Wenn jedoch die Lose aufgehoben ist, nimmt normalerweise der Eingriffswiderstand (die Reibung) zwischen den Zahnflächen der Schnecke 112 und dem Schneckenrad 113 zu. Dieses Problem wird gelöst durch Beschichten der Zahnflächen der Schnecke 112 mit einer Beschichtung aus Material mit niedrigem Reibkoeffizienten. Dieses Material mit niedrigem Reibkoeffizienten mindert den Reibkoeffizienten an den Gleitflächen der Zähne der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113. Es ist daher möglich, den Kraftübertragungswirkungsgrad zu erhöhen, während eine geeignete Reibung zwischen den kämmenden Zahnflächen der Zahnräder 112 und 113 erhalten bleibt, obwohl der Eingriff der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 eingestellt ist, um jegliches Spiel zu beseitigen.
6 zeigt den Drehmomentbegrenzer 90. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Zwischenschaltung des Drehmomentbegrenzers 90 zwischen dem Motor 82 und dem Untersetzungsmechanismus 110. Dieser Drehmomentbegrenzer 90 ist ein Drehmomentbegrenzungsmechanismus mit einem Innenelement 91, das mit der Ausgangswelle 83 des Motors 82 verzahnt ist, die in ein zylindrisches Außenelement 93 eingesetzt ist, die mit der Übertragungswelle 111 verzahnt ist.
Das Innenelement 91 ist ein Steckelement, dessen Außenfläche 92 zum Ende der Übertragungswelle 111 hin verjüngt ist. Das Außenelement 93 ist ein Buchsenelement, dessen Innenfläche 94 verjüngt ist, sodass sie auf der Außenfläche 92 des Innenelements 91 passend sitzt. Der Drehmomentbegrenzer 90 wird zusammengebaut durch Einsetzen der verjüngten Außenfläche 92 in die verjüngte Innenfläche 94, Drücken auf das Hinterende 95 des Innenelements 91 mittels einer Tellerfeder 96 und örtliches Sichern desselben mittels eines Halterings 97. Anzumerken ist, dass auch ein Abstandshalter 101, eine Beilagscheibe 102 und eine Tellerfeder 103 gezeigt sind.
Die Außenfläche 92 und die Innenfläche 94 stehen mit einer spezifischen Reibkraft dazwischen in Eingriff, infolge der Federkraft der Tellerfeder 96, die auf das Innenelement 91 drückt, sodass die Außenfläche 92 des Innenelements 91 gegen die Innenfläche 94 des Außenelements 93 gedrückt wird. Wegen des so vorgesehenen Drehmomentbegrenzers 90 gleitet die Außenfläche 91 relativ zur Innenfläche 94, wenn ein die spezifische Reibkraft überschreitendes Drehmoment auf die Ausgangswelle 93 wirkt. Es ist daher möglich, das von dem Motor 82 auf den Untersetzungsmechanismus 110 übertragene Hilfsdrehmoment zu begrenzen. Anders gesagt ist es möglich, ein Überdrehen zu beseitigen. An dem Motor 82 tritt daher kein übermäßiges Drehmoment auf, und zur Lastseite wird kein übermäßiges Drehmoment übertragen.
Weil ferner das Innenelement 91 und das Außenelement 93 keilförmig sitzen, ist die Montagepräzision außerordentlich hoch und die Mittelausrichtung ist einfach.
Weil ferner ein kleiner Drehmomentbegrenzer 90 zwischen dem Untersetzungsmechanismus 110 und den relativ schnell drehenden Motor 82 zwischengeschaltet ist, ist die Unterbringung innerhalb des Gehäuses 41 einfach.
7A bis 7D zeigen einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus nach dieser ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Linie L1 ist die Mittelachse des Ritzels; die Linie L2 ist die Mittelachse der Zahnstange; und die Linie L3 ist eine Linie orthogonal zur Zahnfläche der Stangenverzahnung. Anzumerken ist, dass in diesem Ausführungsbeispiel angenommen wird, dass die Mittelachse L1 des Ritzels 33 orthogonal zur Mittelachse L2 der Zahnstange 35 ist.
Das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 des in 7A gezeigten Zahnstangen- und Ritzelmechanismus sind Schraubverzahnungen. Wie in 7B gezeigt, sind Schraubverzahnungen zylindrische Verzahnungen, in denen die Zahnspur 33c, welche die Schnittlinie zwischen der Zahnfläche 33b und der Umfangsfläche eines Zylinders 33a (der Referenz-Wälzfläche) ist, eine Schraube 33d mit einem bestimmten Schraubwinkel θ ist. Anzumerken ist, dass der Schraubwinkel θ der Winkel zwischen der Schraube 33d und der Grunddurchmesserlinie 33e (einer zur Wälzdurchmesserlinie orthogonale Linie) des Zylinders 33a ist.
7C ist eine vergrößerte Perspektivansicht der die Schraubverzahnung bildenden Stangenverzahnung 34. Anzumerken ist, dass der Schraubwinkel der gleiche ist wie der Schraubwinkel θ der das Ritzel 33 bildenden Schraubverzahnung.
Ein weiteres Merkmal unserer Erfindung ist, dass der Schraubwinkel θ das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 bildenden Schraubverzahnung in einen Bereich gelegt ist, der den Reibwinkel der Schraubverzahnungen nicht überschreitet. Der Grund hierfür wird weiter unten beschrieben.
7D ist eine vergrößerte Schnittansicht des Zahnprofils der das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 bildenden Schraubverzahnungen. Anzumerken ist, dass das Zahnprofil dieser Schraubverzahnungen ein Kreisbogen ist.
Anzumerken ist, dass Verzahnungen mit einem Kreisbogen-Zahnprofil in der Literatur bekannt sind, einschließlich "New gears and their applications: circular arc tooth profile gears" (Maschine design, Vol. 26, Nr. 3, pp. 47 bis 51, Nikkan Kogyo Shinbusha, März 1982). Verzahnungen mit Kreisbogen-Zahnprofil werden weiter unten beschrieben.
Das heißt, Verzahnungen mit Kreisbogen-Zahnprofil sind Verzahnungen, in denen die Zahnkopffläche in einem eines Verzahnungspaars auf einem Bogen liegt, dessen Mitte im Wesentlichen die Referenz-Abwälzlinie Pi ist, und die Zahnfußfläche der anderen Verzahnung in dem Paar liegt auf einem Bogen, dessen Mitte im Wesentlichen die Referenz-Abwälzlinie Pi ist. Verzahnungen mit einem Kreisbogenprofil können ein symmetrisches oder asymmetrisches Zahnprofil haben.
Anzumerken ist, dass die Zahnfußflächeder Teil der Zahnfläche zwischen der Referenz-Abwälzlinie Pi und dem Zahngrund ist, und die Zahnkopffläche der Teil der Zahnfläche zwischen der Referenz-Abwälzlinie Pi und dem Zahnscheitel ist.
In Bezug auf das Ritzel 33 in 7D bedeutet eine symmetrische Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnung, dass der Bogen der Zahnkopffläche 33g und der Bogen der Zahnfußfläche, oder genauer, dass die Zahnkopffläche 33d und die Zahnfußfläche 33f in Bezug auf die Referenz-Abwälzlinie Pi punktsymmetrisch sind. Beispiele solcher Verzahnungen sind die Typ 3-Novikov-Verzahnung und die Sym MarC^®-Verzahnung von Hitachi Seisakusho. Angemerkt wird, dass in 7D r der Radius der Bögen ist.
Das symmetrische Kreisbogen-Zahnprofil der Stangenverzahnung 34 ist identisch zu dem des Ritzels 33, und die Zahnkopffläche 34a und die Zahnflußfläche 34b sind auf Bögen gebildet, die zur Referenzabwälzlinie Pi punktsymmetrisch sind.
In einer asymmetrischen Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnung ist das Paar von Zahnkopffläche und Zahnfußfläche des Zahnprofils zur Referenzabwälzlinie Pi nicht symmetrisch. Insbesondere ist in der einen Verzahnung nur der Bogen der Zahnkopffläche an der Referenz-Abwälzlinie Pi zentriert, und in der anderen Verzahnung des Paars ist nur der Bogen der Zahnfußfläche an der Referenzabwälzlinie Pi zentriert. Beispiele einer asymmetrischen Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnung sind die Typ 1 und Typ 2-Novikov-Verzahnungen und die CirCarC^®-Verzahnung, hergestellt von Associated Electrical Industries in Britannien.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Schraubverzahnungen sind bevorzugt symmetrische Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnungen.
Mit dem transversalen Zahnprofil einer Evolventenzahnform kommt es zu einem Eingriff (Kontakt) zwischen konvexen Zahnflächen. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch das Zahnprofil der Schraubverzahnung ein Kreisbogen. Mit dem transversalen Zahnprofil einer Kreisbogen-Zahnform kommt es zum Eingriff (Kontakt) zwischen konvexen und konkaven Zahnflächen. Weil der Radius der relativen Krümmung in der Zahnspurrichtung groß ist, ist die Fläche des Linienkontakts groß, wenn eine Last einwirkt. Allgemein ist, im Vergleich zu Evolventenverzahnungen, die Oberflächenermüdungsfestigkeit von Kreisbogenverzahnungen 6- bis 7mal größer, die Biegefestigkeit ist 1,5 bis 1,6-mal größer und die Biegeermüdungsfestigkeit ist 1,5 bis 1,6-mal größer.
Wegen der Kreisbogenform sind ferner die Zahnfußflächen 33f und 34b im Vergleich zum Zahnprofil einer herkömmlichen Evolventenverzahnung abgerundet. Es ist daher möglich, den Kerbeffekt auf Stoß- und Ermüdungsfestigkeit zu reduzieren, und es ist daher möglich, die Biegefestigkeit des Zahnteils weiter zu verbessern.
Unter Verwendung einer Kreisbogen-Schraubverzahnung für das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 ist es weiter möglich, die Verzahnungsfestigkeit zu erhöhen und die folgenden Vorteile zu erreichen.
Wenn beispielsweise die rechten und linken gelenkten Räder zum maximalen Lenkwinkel gedreht werden, d.h. wenn die Zahnstange 35 in 3 zum Ende ihres Bewegungsbereichs bewegt wird, berührt das linke Kugelgelenk 36 den Anschlag 43, das rechte Kugelgelenk 36 berührt den Anschlag 43 und die Bewegung der Zahnstange 35 stoppt sofort. Hierbei wirkt ein Drehmoment, welches signifikant größer ist als das, welches beim normalen Lenken erzeugt wird, auf das Ritzel 33 (siehe 1) und die Stangenverzahnung 34. Das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34, die infolgedessen stärker sind, können jedoch diesem hohen Drehmoment ausreichend widerstehen.
Weil ferner das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 ein Kreisbogen-Zahnprofil haben, führt der Eingriff des Zahnpaars zu einem Kontakt zwischen konkaven und konvexen Zahnflächen, und die Kontaktfläche beim Eingriff der Verzahnung ist viel größer als die, die mit einem herkömmlichen Evolventenzahnprofil erreicht wird. Weil der Kontaktdruck geringer ist (der Kontaktdruck fällt auf angenähert 1/6 des eines Evolventenzahnprofils), gleiten die Zahnfläche glattgängiger. Ferner sind auch Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnungen bekannt, die so ähnlich kontaktieren wie Gleitlager. Ein Vorteil eines Gleitlagers ist, dass der Kontakt gleichmäßig ist. Es ist möglich, diesen Vorteil direkt für den Kontakt einer Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnung anzuwenden. Eine Reibung zwischen gleitenden Zahnflächen kann daher signifikant reduziert werden.
Zu 4. Wenn eine hohe Drehmomentlast aufgrund der Trägheit des Motors 82 auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 einwirkt, wirkt eine starke Kraft in Richtung orthogonal zur Achse in Verbindung damit auf die Zahnstange 35. Damit diese Kraft nicht zur Folge hat, dass sich die Zahnstange 35 zurückbewegt, sinkt die Reibkraft der gleitenden Zahnfläche, obwohl der Einstellbolzen 33 direkt gegen die Rückseite des Führungselements 61 drückt. Es ist daher möglich, den Kraftübertragungswirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 zu erhöhen, während ein gutes Gefühl guter Lenkkontrolle des Lenkrads 11 beibehalten wird (siehe 1).
Weil ferner die Reibkraft der gleitenden Zahnflächen niedrig ist, ist es möglich, ein Hilfsdrehmoment von dem Motor 82 auf die Zahnstange 35 durch ein zwischengeschaltetes Ritzel 33 mit gutem Wirkungsgrad auch dann zu übertragen, wenn unter Hochlastbedingungen gelenkt wird (wie etwa dann, wenn die Räder bei stehendem Fahrzeug gedreht werden). Im Vergleich zur herkömmlichen Evolventenverzahnung ist daher ein geringeres Hilfsdrehmoment erforderlich und es kann daher eine elektrische Servolenkvorrichtung mit geringerem Stromverbrauch vorgesehen werden.
8A zeigt die Stangenverzahnung 34, die durch Drehen des Ritzels 33 in der Figur nach links bewegt wurde. Wenn die rechten und linken gelenkten Räder nach rechts zum maximalen Lenkwinkel gedreht werden, d.h. wenn sich die Zahnstange 35 zum Ende ihres Bewegungsbereichs bewegt, berührt das rechte Kugelgelenk 36 den Anschlag 43 und die Bewegung der Stangenverzahnung 34 stoppt. Hierbei ist das Drehmoment ein Stoßmoment, und ist somit das maximale Drehmoment, das größer ist als das Drehmoment beim normalen Lenken.
8B zeigt den Zustand, wenn die Zahnfläche der Stangenverzahnung 34 durch die Zahnfläche des Ritzels 33 in der Figur nach links gedrückt wird. 8C zeigt die Zahnfläche der Stangenverzahnung 34 als rechtwinkliges Dreieck mit der Schräge D.
In 8B und 8C ist der Neigungswinkel der Schräge D gleich θ, d.h. gleich dem Schraubwinkel θ der Schraubverzahnung. Die Wirkkraft des Zahns E des Ritzels 33, die gegen die Schräge D drückt, ist Wo, welche vergleichbar ist mit der Kraft (Drehmoment des Ritzels 33), die in der Umfangsrichtung auf den Wälzkreis des Ritzels 33 wirkt. Die Kraft Wo wirkt daher orthogonal zur Linie AB.
Wenn die Stangenverzahnung, die am Ende ihres Bewegungsbereichs gestoppt ist, von dem Ritzel 33 weiter unter Druck gesetzt wird, versucht der Zahn E entlang der Schräge D in der Richtung des Punkts A zu rutschen und zu bewegen. Den direkten Druck, der zwischen der Schräge D und dem Zahn E wirkt (die Kraft, die orthogonal zur Zahnfläche wirkt), d.h. den direkten Druck W₁, der zwischen der Zahnfläche des Ritzels 33 und der Zahnfläche der Stangenverzahnung 34 wirkt, erhält man aus der Gleichung (1). W1 = W0 × cosθ (1)
Die Kraft, die parallel zur Schräge D wirkt (d.h. die Kraft W₂, die parallel zur Zahnfläche der Stangenverzahnung 34 wirkt), erhält man aus der Gleichung (2). W2 = W0 × sinθ (2)
Die zur Linie AB parallele Kraft P₀ wird auch benötigt, sodass der Zahn E infolge der Kraft W₂ nicht zum Punkt A hin rutscht und bewegt. Diese Stützkraft P₀ ist der auf das Ritzel 33 wirkende Axialdruck, und die Richtung der Kraft P₀ ist orthogonal zur Richtung der Kraft W₀. Die Teilkräfte der Stützkraft P₀ sind eine zur Schräge D orthogonale Teilkraft P, und eine zur Schräge D parallele Teilkraft P₂. Die Teilkräfte P₁ und P₂ können mittels der Gleichungen (3) und (4) berechnet werden. P1 = P0 × sinθ (3) P2 = P0 × cosθ (4)
Die Summe der zur Schräge D orthogonalen Kraftkomponenten, d.h. der gemeinsame direkte Druck R, ist die Summe des direkten Drucks W, und der Teilkraft P₁, wie in Gleichung (5) gezeigt. R = W1 + P1 (5)
Wenn wir F die maximale Reibkraft zwischen der Zahnfläche des Ritzels 33 und der Zahnfläche der Stangenverzahnung 34 sein lassen, ist die Größe dieser maximalen Reibkraft F proportional zum gemeinsamen direkten Druck R, wie in Gleichung (6) gezeigt. F = μ × R (6)wobei μ der Reibkoeffizient zwischen den Zahnflächen des Ritzels 33 und der Stangenverzahnung 34 ist, die, wie oben erwähnt, Schraubverzahnungen sind. Wenn der Reibwinkel der Schraubverzahnung entsprechend dem Reibkoeffizienten μ gleich ρ ist, dann kann der Reibkoeffizient μ aus Gleichung (7) erhalten werden. μ = tanρ (7)
Die Reibkraft F wirkt in der Richtung entgegen der Kraft W₂, weil der Zahn E infolge der Kraft W₂ entlang der Schräge D gleiten und sich zu Punkt A bewegen möchte.
Die Beziehung zwischen den drei Kräften F, W₂ und P₂ parallel zur Schräge D ist in Gleichung (81 gezeigt. P2 = W2 – F (8)
Gleichung (9) erhält man durch Einsetzen der Gleichungen (1) bis (6) in Gleichung (8). P0 × cosθ = W0 × sinθ – μ × R = W0 × sinθ – μ(W1 + P1) = W0 × sinθ – μ(W0 × cosθ + P0 × sinθ) = W0 × sinθ – μ × W0 × cosθ – μ × P0 × sinθ (9)was vereinfacht werden kann als Gleichungen (10) und (11). P0 × (cosθ + μ × sinθ) = W0(sinθ – μ × cosθ) (10) P0 = W0(sinθ – μ × cosθ)/(cosθ + μ × sinθ) (11)
Gleichung (12) erhält man durch Einsetzen von Gleichung (7) in Gleichung (11). P0 = W0 × [(sinθ – tanρ × cosθ)/(cosθ + tanρ × sinθ)] = W0 × [(sinθ – (sinρ/cosp) × cosθ)/(cosθ + (sinρ/(cosρ) × sinθ)] = W0 × [(sinθ × cosρ – cosθ × sinρ)/(cosθ × cosρ + sinθ × sinρ)] = W0 × [sin(θ – ρ)(cos(θ – ρ)] = W0 × tan(θ – ρ) (12)
Wie aus Gleichung (12) zu erkennen, ist P₀ = 0, wenn θ = ρ. Wenn θ < ρ, P₀ < 0. Daher wirkt kein Axialdruck auf das Ritzel 33, d.h. die Kraft P₀ wirkt nicht, auch wenn ein hohes Drehmoment auf das Ritzel 33 einwirkt, wenn die Stangenverzahnung 34 gestoppt wird. Der Schraubwinkel θ der Schraubverzahnung wird daher in den Bereich gesetzt, der den Schraubverzahnungsreibwinkel ρ nicht überschreitet, d.h. in den Bereich 0° < θ ≤ ρ.
Wenn die Stangenverzahnung 34 nicht am linken oder rechten Ende ihres Bewegungsbereichs stoppt, d.h. während den meisten normalen Lenksituationen, und die Stangenverzahnung 34 von dem Ritzel 33 nach rechts oder links angetrieben wird, ist die Kraft, mit der der Zahn E des Ritzels 33 auf die Schräge D drückt, kleiner als die Kraft W₀. Der auf das Ritzel 33 wirkende Axialdruck entspricht dieser schwachen Kraft.
Daher ist es möglich, den auf das Ritzel 33 wirkenden Axialdruck auf einen sehr geringen Wert zu beschränken.
Eine alternative Ausführung, in der die Eingangswelle 31 mit der Zahnstange 35 gekippt verbunden ist, wird nachfolgend anhand von 9A und 9B beschrieben.
9A zeigt eine Konfiguration, in der die Eingangswelle 31 um einen Kippwinkel α von einer zur Mittelachse L2 der Zahnstange 35 orthogonalen Referenzlinie S nach links verkippt ist. 9B zeigt eine ähnliche Konfiguration, in der die Eingangswelle 31 um einen Kippwinkel α von der Referenzlinie S nach rechts verkippt ist.
In diesem Beispiel hat die Schraub-Stangenverzahnung 34 einen Schraubwinkel β. Der Schraubwinkel der Stangenverzahnung 34 in 9A ist β = θ + α. Der Schraubwinkel der Stangenverzahnung 34 in 9B ist β = θ – α. Der Schraubwinkel θ des Ritzels 33 ist unabhängig vom Kippwinkel α der Eingangswelle 31 konstant. Indem man somit den Schraubwinkel θ im Ritzel 33 konstant hält, ist auch der auf das Ritzel 33 wirkende Axialdruck P₀ konstant und kann aus der obigen Gleichung (12) erhalten werden.
Wie oben beschrieben, liegt der Schraubwinkel θ des Ritzels 33 in dem Bereich, der den Schraubverzahnungswinkel ρ nicht überschreitet, d.h. in dem Bereich 0° < θ ≤ ρ. Daher wirkt, unabhängig vom Kippwinkel α der Eingangswelle 31, kein Axialdruck auf das Ritzel 33, d.h. die Kraft P₀ wirkt nicht, auch wenn ein hohes Drehmoment auf das Ritzel 33 einwirkt, wenn die Bewegung der Zahnstange 35 stoppt.
Um das Obige zusammenzufassen ist es unter Verwendung von Schraubverzahnungen für das Ritzel 33 und die Stangenverzahnung 34 möglich, im Vergleich zu einer Geradverzahnung ein relativ hohes Drehmoment zu übertragen. Im Ergebnis kann man einen relativ kleinen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 erhalten.
Weil ferner der Schraubwinkel θ des Ritzels 33, das eine Schraubverzahnung hat, kleiner als der Schraubverzahnungs-Reibwinkel ρ ist, kann der Axialdruck, der während normalen Lenksitutation auf das Ritzel wirkt, d.h. wenn die Stangenverzahnung 34 am rechten oder linken Ende nicht gestoppt wird, niedrig sein. Im Ergebnis wirkt ein geringer Axialdruck auf die Eingangswelle 31 in 8A, 9A und 9B, und der Axialdruck, der auf die die Eingangswelle 31 haltenden Lager 51, 52 und den mit der Eingangswelle 31 gekoppelten Untersetzungsmechanismus 110 (siehe 4) wirkt, ist ebenfalls gering. Obwohl Schraubverzahnungen verwendet werden, ist es daher nicht erforderlich, die Festigkeit der Eingangswelle 31, der Lager 51, 52 oder des Untersetzungsmechanismus 110 zu erhöhen und diese Komponenten können daher kompakt und mit geringen Kosten ausgeführt werden.
10 zeigt eine alternative Version der Tragstruktur der Übertragungswelle 111 in diesem Untersetzungsmechanismus 110.
Die Tragstruktur dieser alternativen Ausführung ist gekennzeichnet durch die Halterung der Übertragungswelle 111 an dem Gehäuse 41 mittels zwischengeschalteter erster und zweiter Lager 114, 115 und einer exzentrischen Hülse 121. Die exzentrische Hülse 121 ist eine zylindrische Hülse, die drehbar in ein Loch in dem Gehäuse 41 eingesetzt ist. Die ersten und zweiten Lager 114, 115 sind in das Loch innerhalb dieser zylindrischen Hülse eingesetzt, und die Übertragungswelle 111 ist durch die ersten und zweiten Lager 114, 115 drehbar gehalten. Unter Verwendung eines Ringbolzens 122, um die exzentrische Hülse 121 in Richtung der Längsachse der exzentrischen Hülse 121 an dem Gehäuse 41 zu drücken, kann die exzentrische Hülse 121 in dem Gehäuse 41 durch Reibung gehalten werden.
11 zeigt die Beziehung zwischen der Schnecke 112, dem Schneckenrad 113 und der exzentrischen Hülse 121.
Wie in 11 gezeigt, ist die Schnecke 112 mit ihrer Mittelachse O₁ (Mitte O₁ der Übertragungswelle 111) um einen Abstand δ unter die Mittelachse O₃ der exzentrischen Hülse 121 versetzt angeordnet. Weil die Übertragungswelle 111 von den ersten und zweiten Lagern 114, 115 in dieser versetzten Stellung der exzentrischen Hülse 121 gehalten wird, bewegt sich die Mittelachse O₁ der Schnecke 112 exzentrisch zur Mittelachse O₂ des Schneckenrads 113, wenn sich die exzentrische Hülse 121 dreht. Im Ergebnis ändert sich der Abstand X von der Schneckenmitte O₁ zur Mitte O₂ des Schneckenrads 113. Es ist daher möglich, die Lose der Schnecke 112 zum Schneckenrad 113 einfach einzustellen, indem man lediglich die exzentrische Hülse 121 dreht. Anzumerken ist, dass in dieser alternativen Version für die Schnecke 112 aus Metall auch bevorzugt ist, deren Zahnflächen mit einem Material niedrigen Reibkoeffizienten zu beschichten, und das Schneckenrad 113 aus Harz herzustellen.
Es ist daher möglich, die Zahnflächen der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 einzustellen, sodass keine Lose dazwischen vorhanden ist, und Druck auszuüben, wodurch die Zahnflächen der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 in Eingriff gebracht werden. Das Beseitigen von Lose beseitigt auch Spiel in dem Eingriff der Schnecke 112 und des Schneckenrads 113 und verhindert somit, dass ein Drehmomentstoß durch Trägheit des Motors 82 (siehe 10) von den Zahnflächen der Schnecke 112 auf die Zahnflächen des Schneckenrads 113 wirkt. Die Haltbarkeit des Untersetzungsmechanismus 110 ist auch in dieser Variante bei dieser ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung weiter verbessert.
Die Prozedur zur Einstellung des Eingriffs dieses Untersetzungsmechanismus 110 ist wie folgt.

(1) Bei entferntem Motor 82 und Ringbolzen 122 in 10 wird die exzentrische Hülse mittels eines Werkzeugs allmählich gedreht. Dies bewegt die Mittelachse O1 der Übertragungswelle 111 und erlaubt somit eine Einstellung der Lose der Schnecke 112 zum Schneckenrad 113.
(2) Nach Abschluss der Lose-Einstellung, wird der Ringbolzen 112 festgezogen, um die exzentrische Hülse 121 an dem Gehäuse 41 mittels Reibkraft zu sichern.
(3) Die Baugruppe von Drehmomentbegrenzer 90 und Motor 82 wird in das Gehäuse 41 eingesetzt und auf die Übertragungswelle 111 gesetzt.
(4) Der Motor 82 wird an dem Gehäuse 41 mittels des Bolzens 123 angebracht, um diese Aufgabe abzuschließen. Anzumerken ist, dass der Durchmesser des Bolzenlochs 124 in dem Motor 82 ein wenig größer ist als ein normaler Bolzenlochdurchmesser. Es ist daher möglich, die Mitte der Motorausgangswelle 83 zur Mittelachse O1 der Übertragungswelle 111 leicht einzustellen.

Für den normalen Fachmann ist es auch klar, dass der Drehmomentbegrenzer 90 der vorliegenden Erfindung keineswegs auf einen Reibungs-Drehmomentbegrenzer beschränkt sein soll, wie in dem obigen ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Ferner soll der Untersetzungsmechanismus 10 nicht auf einen Schneckenradmechanismus beschränkt sein und kann beispielsweise ein Kegelverzahnungs-Mechanismus oder ein Gradverzahnungs-Mechanismus sein.
Zweite Ausführung
Eine elektrische Servolenkvorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Anzumerken ist, dass gleiche Teile in dieser zweiten Ausführung und in der oben beschriebenen ersten Ausführung mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, und eine weitere Beschreibung davon unten weggelassen wird.
Zu 12. Eine elektrische Servolenkvorrichtung 10 nach der vorliegenden Ausführung umfasst einen Lenkmechanismus 23, der in einem Lenksystem 22 von einem Lenkrad 11 zu gelenkten Rädern (Fahrzeugrädern) 21 führt, sowie einen Drehmomentunterstützungsmechanismus 24, um diesen Lenkmechanismus 23 eine Drehmomentunterstützung hinzuzufügen.
Der Lenkmechanismus 23 umfasst eine Eingangswelle 31, die mit dem Lenkrad 11 durch eine zwischengeschaltete Lenkwelle 12 und Universalgelenke 13 verbunden ist, sowie einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 332, der mit einer Eingangswelle 31 gekoppelt ist.
Der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 332 umfasst ein Ritzel 333, das an der Eingangswelle 31 angeordnet ist, sowie eine Zahnstange 35, die eine mit dem Ritzel 333 kämmende Stangenverzahnung 334 aufweist.
Rechte und linke gelenkte Räder 21 sind mittels rechter und linker Spurstangen 37 mit den Enden der Zahnstange 35 verbunden.
Der Drehmomentunterstützungsmechanismus 24 umfasst einen Lenkdrehmomentsensor 70 zum Erfassen des in dem Lenksystem 22 durch das Lenkrad 11 erzeugten Lenkdrehmoments; ein Steuergerät 81 zum Erzeugen eines Steuersignals auf der Basis des ihm von dem Lenkdrehmomentsensor 70 zugeführten Erfassungssignals; einen Motor 82 zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments entsprechend dem Lenkdrehmoment auf der Basis des Steuersignals; und wobei die Eingangswelle 31 und der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 332 mit dem Motor 82 mittels eines zwischengeschalteten Drehmomentbegrenzers 90 und eines Untersetzungsmechanismus 110 verbunden sind.
Anders gesagt, der Lenkmechanismus 23 und der Drehmomentunterstützungsmechanismus 24 teilen sich die Eingangswelle 31 und den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 332, um eine Drehmomentunterstützung von dem Drehmomentunterstützungsmechanismus 24 auf den Lenkmechanismus 23 auszuüben. Der Lenkdrehmomentsensor 70 ist an dem Lenkmechanismus 23 angebracht.
Mit einer so aufgebauten elektrischen Servolenkvorrichtung 10 kann das Lenkdrehmoment, welches vom das Lenkrad 11 drehenden Fahrer erzeugt wird, auf die Zahnstange 35 mittels der zwischengeschalteten Eingangswelle 31 und des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 332 übertragen werden.
Zusätzlich erfasst der Lenkdrehmomentsensor 70 das Lenkdrehmoment, das Steuergerät 81 erzeugt ein Steuersignal auf der Basis des von dem Lenkdrehmomentsensor 70 zugeführten Erfassungssignal, der Motor 82 erzeugt eine Drehmomentunterstützung entsprechend dem Lenkdrehmoment auf der Basis dieses Steuersignals, und dieses Hilfsdrehmoment wird über den zwischengeschalteten Drehmomentbegrenzer 90, den Untersetzungsmechanismus 110, die Eingangswelle 31 und den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 332 auf die Zahnstange 35 übertragen. Daher werden die rechten und linken gelenkten Räder 21 über die Zahnstange 35 und die rechten und linken Spurstangen 37 infolge des gemeinsamen Drehmoments gelenkt, welches die vom Motor 82 erzeugte Drehmomentunterstützung zusätzlich zu dem vom Fahrer erzeugten Lenkdrehmoment kombiniert.
13 ist eine Schnittansicht entsprechend 4 der ersten Ausführung und zeigt einen Vertikalschnitt der elektrischen Servolenkvorrichtung 10.
Ein Kennzeichen dieser zweiten bevorzugten Ausführung ist, dass das Ritzel 333 und die Stangenverzahnung 334 geschmiedete Stücke sind (einschließlich Walz-geschmiedete) oder andere plastisch bearbeitete Komponenten. Insbesondere ist die Eingangswelle 31 eine Ritzelwelle, an deren Unterende ein Gewinde 55 geformt ist, wobei das Ritzel 333 integral an der Eingangswelle 31 am Unterende über dem Gewinde 55 ausgebildet ist. Das Oberende der Eingangswelle 31 steht von dem Deckel 45 nach außen vor. Die Stangenverzahnung 334 ist an der Zahnstange 35 ausgebildet.
Die Stangenführung 60 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende 63a eines Einstellbolzens direkt gegen die Rückseite 61a eines Führungselements 61 drückt, wenn die Stangenverzahnung 334 mit dem Ritzel 333 in Eingriff stehen. Der Grund hierfür wird unten beschrieben.
Wenn das gemeinsame Drehmoment, welches das Hilfsdrehmoment des Motors 82 (siehe 12) und das Lenkdrehmoment kombiniert, von dem Ritzel 333 auf die Stangenverzahnung 334 übertragen wird, wirkt eine Längskraft in Achsrichtung und eine Querkraft in Richtung orthogonal zur Achsrichtung auf die Zahnstange 35. Diese Querkraft wirkt dahingehend, die Stangenverzahnung 334 abzuheben und sie von dem Ritzel 333 zu trennen, und sie ist eine Teilkraft, die entsprechend dem Druckwinkel des Zahnprofils erzeugt wird. Wenn eine weitere Bewegung der Zahnstange 35 begrenzt wird, nachdem sich diese über einen bestimmten Weg verschiebt, ist insbesondere diese Teilkraft außerordentlich groß im Vergleich zu normalen Lenkbedingungen.
Bei einer herkömmlichen Zahnstangenführung berührt ein Führungselement die Zahnstange 35 von der der Stangenverzahnung 334 entgegengesetzten Seite, wenn die Stangenverzahnung 334 mit dem Ritzel 333 in Eingriff steht, und dieses Führungselement wird lediglich durch einen Einstellbolzen und eine zwischengeschaltete Druckfeder unter Druck gesetzt. Die Stangenverzahnung 334 kann daher abheben, weil die Druckfeder durch eine starke Kraft orthogonal zur Achsrichtung zusammengedrückt werden kann.
In unserer Erfindung drückt jedoch das Ende 63a des Einstellbolzens 63 direkt gegen die Rückseite 61a des Führungselements 61, wenn die Stangenverzahnung 334 mit dem Ritzel 333 in Eingriff steht. Daher ist keine Druckfeder vorgesehen, die durch eine zur Achsrichtung orthogonale Querkraft zusammenzudrücken wäre, und die Stangenverzahnung 334 hebt nicht ab. Es ist daher möglich, einen konstant guten Kontakt zwischen den Zähnen des Ritzels 333 und der Stangenverzahnung 334 beizubehalten, und es kann eine konstant hohe Eingriffspräzision der Verzahnung beibehalten werden.
Der Lenkdrehmomentsensor 70 kann wie folgt aufgebaut sein. Das heißt, ein Magnetostriktionsfilm 77, dessen Magnetostriktionseigenschaften sich entsprechend dem angelegten Drehmoment ändern, ist mit einer spezifischen Breite um den vollständigen Umfang der Eingangswelle 31 herum angeordnet. Erregungs- und Erfassungswicklungen 71, 72, wie in 2 gezeigt und in der obigen ersten Ausführung beschrieben, sind relativ zu diesem Magnetostriktionsfilm 77 angeordnet. Wenn über die Eingangswelle 31 ein Drehmoment auf den Magnetostriktionsfilm 77 einwirkt, erfasst die Erfassungswicklung 72 elektrisch die Magnetostriktion des Magnetostriktionsfilms 77 entsprechend dem Drehmoment. Ein Beispiel eines Magnetostriktionsfilms 77 ist ein ferromagnetischer Film, der durch Dampfabscheidung eines Ni-Fe-Legierungsfilms auf der Eingangswelle 31 ausgebildet ist.
Die Beziehung zwischen der Eingangswelle 31 in dieser zweiten Ausführung und dem Motor 82, dem Drehmomentbegrenzer 90 und dem Untersetzungsmechanismus 110 ist die gleiche wie in 5 in Bezug auf die obige erste Ausführung gezeigt.
Der Drehmomentbegrenzer 90 dieser zweiten Ausführung ist auch in der Struktur und im Betrieb mit dem Drehmomentbegrenzer 90 identisch, der in 6 in Bezug auf die obige erste Ausführung gezeigt ist.
14 und 15 sind perspektische und Schnittansichten der Zahnstange in dieser zweiten Ausführung.
Die Zahnstange 35 ist eine runde Stange mit dem Durchmesser D1, wobei die Stangenverzahnung 334 an einem Längsteil davon ausgebildet ist. Die Länge M des Teils 39, wo die Stangenverzahnung 334 ausgebildet ist, ist lang genug, um ein Verschieben der Zahnstange 35 nach rechts und links nur bis zum maximalen Lenkwinkel der gelenkten Räder 21 zu gestatten (siehe 12). L2 bezeichnet eine Mittelachse der Zahnstange.
Wie in 15 gezeigt, ist die Zahnbreite W1 der an der Zahnstange 35 ausgebildeten Stangenverzahnung 334 größer als der Durchmesser D1 der Zahnstange 35 in jenem Teil der Zahnstange 35, wo die Stangenverzahnung 334 nicht ausgebildet ist, d.h. W1 > D1.
Das die Stangenverzahnung 334 bildende Teil 39 hat grundlegend einen halbkreisförmigen Querschnitt, wobei die die Stangenverzahnung bildende Fläche flach ist. Die Dicke T1 ist um einen Betrag reduziert, der mit der Zunahme der Zahnbreite W1 einhergeht. Die Dicke T1 ist die Dicke vom Zahnscheitel der Stangenverzahnung 334 zur Rückseite der Zahnstange 35, und ist natürlich kleiner als der Durchmesser D1 (T1 < D1). Durch diese Vergrößerung des Durchmessers der Zahnstange 35 nur durch Zunahme der Zahnbreite in dem Bereich der Stangenverzahnung 334 kann das Gesamtgewicht der Zahnstange 35 beschränkt werden.
Die mechanische Festigkeit (Biegefestigkeit und Tragfestigkeit) der Stangenverzahnung 334 ist in Folge der Vergrößerung der Zahnbreite W1 der Stangenverzahnung 334 stark verbessert. Gleichzeitig gleitet der Teil der Zahnstange 35, wo die Stangenverzahnung 334 nicht ausgebildet ist, nur, um die gelenkten Räder zu drehen, und die Zahnstange braucht daher nur so starr sein wie eine herkömmliche Zahnstange. Weil die Breite der Zahnstange 35 im Bereich des Ritzels 33 und der Stangenverzahnung 34 nur um den Betrag der Zahnbreite W1 erhöht ist und die Dicke T1 dieses Bereichs um einen vergleichbaren Betrag relativ zum Durchmesser D1 der Zahnstange 35 vermindert ist, ist der Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39 zur Ritzelseite hin von der Zahnstangenmittelachse L2 hin versetzt (siehe 13).
Die Querschnittsfläche des die Verzahnung bildenden Teils 39 ist daher im Wesentlichen identisch mit der Querschnittsfläche der Zahnstange 35, und das Gewicht der Zahnstange 35 ändert sich im Wesentlichen nicht, obwohl die Breite W1 des die Verzahnung bildenden Teils 39 größer ist als der Durchmesser D1 der Zahnstange 35. Es ist daher möglich, das Gesamtgewicht der Zahnstange 35 zu begrenzen.
Durch Vergrößern der Breite W1 der Stangenverzahnung 34 ist es möglich, das Gewicht der Zahnstange 35 zu begrenzen, während gleichzeitig die mechanische Festigkeit (Biegefestigkeit und Tragfestigkeit) des Ritzels 333 und der Stangenverzahnung 334 wie oben beschrieben erhöht werden.
Weil ferner die Zahnstange 35 durch die Stangenführung 60 (siehe 13) von der der Stangenverzahnung 334 entgegengesetzten Seite her unter Druck gesetzt wird, hat eine Minderung der Dicke T1 keinen praktischen Effekt auf die Biegesteifigkeit der Zahnstange 35.
16 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange nach dieser zweiten Ausführung.
Zuerst wird, in Bezug auf 16(a) nur das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39 der Stahlstange 35A zu dem gewünschten im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt geschmiedet, wie mit der Doppelpunkt-Strichlinie angegeben. Anzumerken ist, dass die Querschnittsfläche A1 hinter der Rückseite 39a des die Verzahnung bildenden Teils 39 im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche A2 des vorstehenden unteren Teils 39b oder unteren Teils 39c des die Verzahnung bildenden Teils 39 ist. Anders gesagt, durch Schmieden des die Verzahnung bildenden Teils 39 auf die Breite WO sind die Querschnittsflächen A1 und A2 im Wesentlichen identisch, und somit wird die Breite T2 bestimmt. Daher sind die Querschnittsfläche des die Verzahnung bildenden Teils 39, wie mit der Doppelpunkt-Strichlinie angegeben, und die Querschnittsfläche der Stange 35A, wie mit der durchgehenden Linie angegeben, im Wesentlichen gleich, und das Gewicht der Zahnstange 35 ändert sich nicht, obwohl die Breite W des die Verzahnung bildenden Teils 39 größer ist als der Durchmesser der Stange 35A.
16(b) ist eine Schnittansicht des die Verzahnung bildenden Teils 39, das sich aus diesem Schmiedeschritt ergibt.
Die Oberfläche des die Verzahnung bildenden Teils 39 wird dann spanend geglättet, wie in 16(c) gezeigt, und die Stangenverzahnung 334 wird auf der Flachseite (der die Verzahnung bildenden Seite) 39d durch Walz-Schmieden oder einen anderen Prozess ausgebildet, um die Produktion zu beenden.
Das Ritzel 333 und die Stangenverzahnung 334 nach dieser zweiten Ausführung sind Schraubverzahnungen, ähnlich dem Ritzel 33 und der Stangenverzahnung 34 der ersten Ausführung, wie in 7A bis 7D gezeigt, und sie sind in Struktur und Betrieb identisch.
17 ist ein schematisches Diagramm des Zahnprofils von Ritzel und Zahnstange in dieser zweiten Ausführung. Die Faserstruktur S des Zahnprofils des Ritzels 333 und des Zahnprofils der Stangenverzahnung 334 fließt durchgehend entlang dem Zahnprofil. Diese Faserstruktur S wird allgemein als die Metallfaser (Prozessfasern) bezeichnet, und wird im Falle von Schmiedestück als Metallfließlinien bezeichnet.
Wie oben angegeben, werden das Ritzel 333 und die Stangenverzahnung 334 plastisch bearbeitet, und das Zahnprofil des Ritzels 333 und der Stangenverzahnung 334 ist ein Kreisbogen.
Plastisch bearbeitete Komponenten sind bearbeitete Komponenten, die mit einer spezifischen Form und Dimension durch heiße oder kalte plastische Verformung des Materials hergestellt wurden und umfassen z.B. gewalzte Komponenten und geschmiedete Komponenten, wie etwa Walz-Schmiedestücke. Walz-Schmieden ist eine Art Walzprozess und ist als Schmiedeprozess in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Um die Zahnprofile des Ritzels 333 und der Stangenverzahnung 334 mittels Walz-Schmieden zu erreichen, wird ein Werkzeug mit dem gewünschten Zahnprofil allmählich in das Material gepresst, um das spezifizierte Zahnprofil zu erreichen. Walz-Schmieden bietet hohe Produktivität und ermöglicht eine kontinuierliche Produktion.
Einige Vorteile plastisch bearbeiteter Verzahnungen im Vergleich zu spanend hergestellten Verzahnungen beinhalten das Folgende:

(1) Es kann eine dem Zahnprofil folgende durchgehende Faserstruktur S erhalten werden, wie in 17 gezeigt, um hierdurch die Festigkeit zu erhöhen und eine größere Biegefestigkeit in den Getriebezähnen im Vergleich zu spanend bearbeiteten Verzahnungen zu erreichen, in der die Faserstruktur S unterbrochen (nicht durchgehend) ist.
(2) In den Zahnflächen entsteht keine Restspannung, wie dies bei spanenden Bearbeitungsprozessen der Fall ist, und daher kommt es zu weniger Verformung während des Härtens. Es ist daher möglich, einen guten Eingriff beizubehalten, ohne das Zahnprofil nach dem Härten zu korrigieren, um die erforderliche Endpräzision in den Kreisbogen-Zahnprofil-Verzahnungen sicherzustellen. Der Herstellungprozess ist daher verkürzt, und die Produktivität ist verbessert.
(3) Spuren (Bearbeitungsspuren), die durch die Spitzenform und die Förderrate des bei der spanenden Oberflächenbearbeitung verwendeten Werkzeugs festgelegt werden, verbleiben auf den Zahnoberflächen spanend bearbeiteter Verzahnungen.

Bei mit einem plastischen Prozess hergestellten Verzahnungen verbleiben jedoch keine Bearbeitungsspuren auf der Zahnoberfläche durch die spanende Bearbeitung, können mit einer gleichmäßigen Oberflächenrauigkeit an den Zahnoberflächen hergestellt werden, haben eine glatte Oberflächenrauigkeit auf den Zähnen und sehr kleine Schwankungen der Dimensionspräzision. Die Reibung beim Gleiten der Zahnoberflächen ist daher außerordentlich gering, und der Übertragungswirkungsgrad des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus ist hoch, und das Eingriffsgeräusch ist gering.
18 und 19 zeigen eine Variante dieser Ausführung, in der die Zahnstange aus Rohrmaterial hergestellt ist.
Wie in 18 und 19 gezeigt, sind an jedem Längsende der Zahnstange 35B Gewinde 35a zum Anschluss der Kugelgelenke 36 ausgebildet. An einem bestimmten Abstand Y1 von der Mitte L2 der Zahnstange 35b an der zum Ritzel 333 weisenden Seite ist eine Abflachung 35b ausgebildet, und an dieser Abflachung 35b ist eine Stangenverzahnung 334 ausgebildet.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange, wie in 18 gezeigt, wird nachfolgend anhand von 20 beschrieben.

(1) Es wird ein Stahlrohr-Ausgangsmaterial 35C vorbereitet.
(2) Verkleinern eines Endes des Rohr-Ausgangsmaterials 35C zur Bildung eines Gewindebildungsteils 35c.
(3) Quetschen eines Längsteils des Rohr-Ausgangsmaterials 35C in einer Presse zur Bildung einer Abflachung 35b mit einer Form, wie in Schnitt a-a gezeigt.
(4) Plastisches Bearbeiten der Abflachung 35b, wie etwa durch Walz-Schmieden zur Bildung der Stangenverzahnung 334 (siehe Schnitt b-b).
(5) Mittels eines Bügelprozess, Bilden von Dickenabweichungen in dem Rohr-Ausgangsmaterial 35C, mit dem Ergebnis eines dicken Wandteils 35d und eines dünnen Wandteils 35e.
(6) Verkleinern des anderen Endes des Rohr-Ausgangsmaterials 35c zur Bildung eines Gewindebildungsteils 35f.
(7) Gewindebildung rechts und links zur Bildung von Gewindebildungsteilen 35c und 35f zur Herstellung von Gewinden 35a, um hierdurch die Zahnstange 35B aus Rohr-Ausgangsmaterial fertigzustellen.

Dritte Ausführung
Eine elektrische Servolenkvorrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführung der Erfindung wird nachfolgend anhand von 21 bis 27 beschrieben.
21 und 22 sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht der Zahnstange 35 und eines Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 432 als alternative Ausführung des in 12 gezeigten Zahnstangen- und Ritzelmechanismus nach der zweiten Ausführung. Anzumerken ist, dass Teile, die zu den anhand der ersten Ausführung beschriebenen identisch sind, mit gleichen Bezugszahlen identifiziert sind und ihre Beschreibung weggelassen wird.
Zu 21 und 22. Die Mittellinie L2 ist die Achse des Endes 35g der Zahnstange 35, die unter normalen Bedingungen an dem Gehäuse 41 gelagert ist. Die Mittellinie L4 ist die Achse des die Verzahnung bildenden Teils 39, wo die Stangenverzahnung 334 an der Zahnstange 35 ausgebildet ist. Die Zahnstange 35 nach dieser bevorzugten Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte L4 des die Verzahnung bildenden Teils 39 um einen Abstand Q zu der der Stangenverzahnung 434 entgegengesetzten Seite hin gesetzt ist, d.h. der Rückseite 39f der Abflachung 39e, an der die Stangenverzahnung 434 ausgebildet ist.
Wie in 23 gezeigt, besitzt das Gehäuse 41 an seinen entgegengesetzten Längsenden ein erstes Lager 47 und ein zweites Lager 48. Das Gehäuse 41 trägt die Zahnstange 35 verschiebbar in Längsrichtung davon durch zwischengeschaltete erste und zweite Lager 47 und 48.
Das erste Lager 47 trägt das Ende 35g der Zahnstange 35, d.h. das von der Stangenverzahnung 434 weiter entfernte Ende. Das zweite Lager 48 trägt das andere Ende 35h der Zahnstange 35, d.h. das der Stangenverzahnung 434 nächste Ende, mit einem kleinen Spalt δ dazwischen. Wenn das andere Ende 35h, beispielsweise durch Straßenreaktion, um einen Abstand gleich dem Spalt δ ausweicht, kann das andere Ende 35h durch das zweite Lager 48 gestützt werden.
Die ersten und zweiten Lager 47, 48 besitzen an ihrer Längs-Endseite einen Anschlag 43. Wenn sich die Zahnstange 35 um einen bestimmten Weg nach links verschiebt, berührt das Zahnstangenende 38 des rechten Kugelgelenks 36 den Anschlag 43. Wenn sich die Zahnstange 35 um einen bestimmten Weg nach rechts verschiebt, berührt das Zahnstangenende 38 des linken Kugelgelenks 36 den Anschlag 43. Somit kann der maximale Lenkwinkel der rechten und linken gelenkten Räder 21 (siehe 12) durch Bewegungsbegrenzung der Zahnstange 35 beschränkt werden. Das heißt, wenn sich die Zahnstange 35 zum Ende ihres Bewegungsbereichs bewegt, sind die rechten und linken gelenkten Räder 21 an dem maximalen Lenkwinkel angelangt. Anzumerken ist, dass in 31 auch Dämpfer 46 gezeigt sind.
24 ist eine Schnittansicht einer elektrischen Servolenkvorrichtung 10 nach einer dritten bevorzugten Ausführung der Erfindung und ist äquivalent der Schnittansicht von 4 für die erste Ausführung.
Wie in 24 gezeigt, umfasst die elektrische Servolenkvorrichtung 10 die Eingangswelle 31, den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 432, den Lenkdrehmomentsensor 70, den Drehmomentbegrenzer 90 (siehe 12) und den Untersetzungsmechanismus 110 in dem Gehäuse 41, wobei die obere Öffnung des Gehäuses 41 mit dem Deckel 45 verschlossen ist. Der Lenkdrehmomentsensor 70 ist an dem Gehäuse 41 oder dem Deckel 45 angebracht.
Das Gehäuse 41 hält drehbar das Unterende und den Längsmittelteil der Eingangswelle 31 mittels zweier Lager 51 und 52. Das Gehäuse 41 besitzt ferner eine Stangenführung 460. Auch gezeigt sind ein Deckelhaltebolzen 53 und ein Haltering 54.
Am Unterende der Eingangswelle 31 ist ein Gewinde 55 ausgebildet, wobei das Ritzel 433 integral an der Eingangswelle 31 direkt über dem Gewinde 55 angeordnet ist. Das Oberende der Eingangswelle 31 steht von der Oberseite des Deckels 45 vor. An der Zahnstange 35 ist die Stangenverzahnung 434 ausgebildet. Die Bewegung in Längsrichtung der Eingangswelle 31 ist durch Aufschrauben einer Mutter 56 auf das Gewinde 55 begrenzt. Auch gezeigt sind eine Kappenmutter 57, eine Öldichtung 58 und ein Abstandshalter 59.
Zusätzlich zu der Konfiguration der in 2A und 2B gezeigten Ausführung kann der Lenkdrehmomentsensor 70 wie folgt aufgebaut sein. Das heißt ein Magnetostriktionsfilm 77, dessen Magnetostriktionseigenschaft sich entsprechend dem angelegten Drehmoment ändern, ist mit einer spezifischen Breite um den vollständigen Umfang der Eingangswelle 31 herum angeordnet. Erregungs- und Erfassungswicklungen 71, 72, wie in 2A und 2B gezeigt, sind relativ zu diesem Magnetostriktionsfilm 77 angeordnet. Wenn ein Drehmoment auf den Magnetostriktionsfilm über die Eingangswelle 31 einwirkt, erfasst die Erfassungsspule 72 elektrisch die Magnetostriktion des Magnetostriktionsfilms 77 entsprechend dem Drehmoment. Ein Beispiel eines Magnetostriktionsfilms 77 ist ein ferromagnetischer Film, der durch Dampfabscheidung eines Ni-Fe-Legierungsfilms auf der Eingangswelle 31 ausgebildet ist.
Die Beziehung zwischen der Eingangswelle 31, dem Motor 82, dem Drehmomentbegrenzer 90 und dem Untersetzungsmechanismus 110 in dieser Ausführung ist die gleiche wie in 5 in Bezug auf die obige erste Ausführung gezeigt.
Der Drehmomentbegrenzer 90 dieser Ausführung ist auch in der Struktur und im Betrieb identisch mit dem Drehmomentbegrenzer 90, der in 6 in Bezug auf die obige erste Ausführung gezeigt ist, und eine weitere Beschreibung davon wird unten weggelassen.
25 und 25 sind Schnittansichten des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 32 und der Stangenführung 460 in der dritten bevorzugten Ausführung der Erfindung und zeigen die Wirkbeziehung zwischen der Zahnstange 35 und dem konkaven Ende 464a der Stangenführung 460.
Die Rückseite 39f der Abflachung 39e, wo die Stangenverzahnung 434 ausgebildet ist, d.h. die der Stangenverzahnung 434 entgegengesetzte Seite der Zahnstange 35 ist konvex, sodass das konkave Ende 464a der Stangenführung 460 diese konvexe Fläche zur Seite der Stangenverzahnung 434 drückt.
Die Stangenführung 460 umfasst ein Führungselement 461, das die Rückseite 39f der Zahnstange 35 berührt, sowie einen Einstellbolzen 463 zum Vorspannen der Rückseite 461a des Führungselements 461 zur Zahnstange 35 über eine zwischengeschaltete Druckfeder 462.
Durch geeignete Einstellung des Einstellbolzens 463 in dem Gehäuse 41 mit dieser Stangenführung 460 drückt die Druckfeder 462 das Führungselement 461 mit einer geeigneten Kraft gegen die Stangenverzahnung 434, und drückt hierdurch die Stangenverzahnung 434 gegen das Ritzel 433.
Die Zahnstange 35 ist aus Stangen-Ausgangsmaterial hergestellt, wobei eine Abflachung 39e an dem zum Ritzel 433 weisenden Teil ausgebildet ist. Die Stangenverzahnung 434 ist an dieser Abflachung 39e ausgebildet. Die Rückseite 39f der Abflachung 39e, an der die Stangenverzahnung 434 ausgebildet ist, ist eine konvexe Fläche, deren Bogenmitte die Mittelachse L4 der Zahnstange 35 ist.
Das Führungselement 461 weist an seinem einen Ende ein Kontaktelement 464 auf, welches eine glatte Verschiebung der Rückseite 39f der Zahnstange 35 gestattet. Anzumerken ist, dass das Kontaktelement 434 integral mit dem Führungselement 461 ausgebildet sein kann. Dieses Kontaktelement 464 besitzt ein konkaves Ende 464a. Im Ergebnis besitzt das Führungselement 461 ein konkaves Ende 464a. Anzumerken ist, dass die Bogenkomponenten, die die Form dieses konkaven Endes 464a definieren, einen größeren Radius haben als der Radius der konvexen Kreisbogenfläche der Rückseite 39f. Anzumerken ist, dass auch eine Haltemutter 465 gezeigt ist.
25 und 26 sind Schnittansichten orthogonal zur Achse des die Verzahnung bildenden Teils 39, wo die Stangenverzahnung 434 ausgebildet ist. Die Linie L4 sei die Mitte des die Verzahnung bildenden Teils 39, die Linie L1 die Mitte des Ritzels 433 und die Referenzlinie L5 sei orthogonal zur Linie L1. Wie aus diesen Figuren ersichtlich, sind die oberen und unteren Bögen des konkaven Endes 464a zur Referenzlinie L5 linear symmetrisch.
Wenn die Rückseite 39f der Zahnstange 35 das konkave Ende 464a an Kontaktpunkten O1 und O2 berührt, ist M1 die Linie durch den oberen Kontaktpunkt O1 und die Mitte L4, und die Linie M2 geht durch den unteren Kontaktpunkt O2 und die Mitte L4, wobei die Neigung der Linie M1 zur Referenzlinie L5 und die Neigung der Linie M2 zur Referenzlinie L5 beide α sind. Die Linien M1 und M2 sind auch orthogonal zu Tangenten S des Bogens der Rückseite 39f.
27 ist ein Wirkdiagramm entsprechend 25 für den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und die Stangenführung.
Wenn eine Kippkraft in Verbindung mit Lenkvorgängen durch Verwendung von Schraubverzahnungen für das Ritzel 433 und die Stangenverzahnung 434 auftritt oder eine Chassisschwingung zu den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 432 wandert, wirkt die Vibration oder Kippkraft auf die Zahnstange 35. Wenn ein kleiner Spalt zwischen dem Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 432 und den zugeordneten Komponenten vorhanden ist, wird die Zahnstange 35 aufgrund dieser Kippkraft merklich oszillieren. Einige Faktoren, die einem solchen Spalt zuzuorden sind, umfassen Folgendes.

(1) Ein Spalt entwickelt sich durch Abnutzung zwischen den Zahnflächen des Ritzels 433 und der Stangenverzahnung 434.
(2) Wenn eine Last auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 432 einwirkt, entsteht (1) ein extrem kleiner Spalt in den Lagern 51 und 52, die die Eingangswelle 31 tragen (siehe 24) oder (2) kommt es zu einer leichten elastischen Verformung in dem Führungselement 461, welches aus Harzmaterial hergestellt ist, oder es entsteht Spiel (ein kleiner Spalt) in hierauf bezogenen Teilen.

Die dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen des ersten und zweiten Kontaktpunkts O1 und O2 zur Mitte L2 der an dem Gehäuse 41 gehaltenen Zahnstange 35 so gesetzt werden, dass ein Kippen des konvexen Teils (der Rückseite 39f) der Zahnstange 35 an dem konkaven Ende 464a begrenzt wird, wenn eine Kippkraft auf die Zahnstange 35 wirkt.
Insbesondere ist die Rückseite 39f der Zahnstange 35 eine konvexe Fläche mit einem Bogenradius r2, dessen Mitte an der Mitte L4 (Punkt L4) des die Verzahnung bildenden Teils 39 ist, wo die Zahnstange 434 ausgebildet ist. Die Positionen der ersten und zweiten Kontaktpunkte O1 und O2 sind daher an der Rückseite 39f, und der Bogenradius r2 dieser konvexen Fläche ist gleich dem Abstand von der Mitte L4 zu den Kontaktpunkten O1 und O2.
Die Position der Mitte L4 des die Verzahnung bildenden Teils 39 ist um einen Abstand Q von der Mitte L2 der Zahnstange 35 zur Rückseite 39f hin versetzt. Der Abstand von der Mitte L2 zum Kontaktpunkt O2 ist r1 und der Abstand r1 ist der Kippradius, wenn eine Kippkraft auf die Zahnstange 35 wirkt. Es versteht sich, dass der Kippradius L1 größer ist als der Bogenradius r2 (r1 > r2).
Wenn sich die Zahnstange 35 gemäß der Figur von der Mitte L2 im Uhrzeigersinn drehen möchte (in Richtung des Pfeils Ru), wird die Rückseite 39f durch das konkave Ende 464a am Kontaktpunkt O2 gestützt. Daher kann die Zahnstange 35 wiederum nicht kippen. Ähnlich, wenn sich die Zahnstange 35 gemäß der Figur von der Mitte L2 im Uhrzeigersinn drehen möchte, wird die Rückseite 39f durch das konkave Ende 464a am Kontaktpunkt O1 gestützt. Daher kann die Zahnstange 35 wiederum nicht kippen.
Die Zahnstange 35 ist so aufgenommen, dass an dem Gehäuse 41 in Längsrichtung gleiten, jedoch darin nicht kippen kann. Ferner kippt die Zahnstange 35 auch dann nicht, wenn während des Lenkens eine Kippkraft auf die Zahnstange 35 wirkt. Die Stangenverzahnung 434 wird daher zum Ritzel 433 schräg gestellt, und es kann eine hohe Eingriffspräzision des Ritzels 433 und der Stangenverzahnung 434 erhalten werden.
Die Stangenführung 460 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende 463a des Einstellbolzens 463 direkt gegen die Rückseite 461a des Führungselements 461 drückt, d.h. das Ende, das dem entgegengesetzt ist, wo das konkave Ende 464a gebildet ist, wenn die Stangenverzahnung 434 mit dem Ritzel 433 in Eingriff steht, wie in 27 gezeigt. Der Grund hierfür ist der gleiche, wie oben in Bezug auf 13 und die zweite Ausführung beschrieben, und eine weitere Beschreibung davon wird weggelassen.
Das Ritzel 433 und die Stangenverzahnung 434 des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 432 sind Schraubverzahnungen und in Konfiguration und Wirkung identisch mit dem Ritzel 33 und der Stangenverzahnung 34 wie in 7A bis 7D der ersten Ausführung gezeigt, und eine weitere Beschreibung davon wird weggelassen.
Eine Variante des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach der dritten bevorzugten Ausführung der Erfindung wird nachfolgend anhand von 28 bis 30 beschrieben. Anzumerken ist, dass gleiche Teile in dieser und der dritten Ausführung mit gleichen Bezugszahlen identifiziert sind und eine weitere Beschreibung davon weggelassen ist.
28 ist eine Perspektivansicht einer ersten Variante der Zahnstange.
In einer Zahnstange 35 nach dieser ersten Variante ist die Mitte L4 des die Verzahnung bildenden Teils 39, wo die Stangenverzahnung 434 ausgebildet ist, um einen Abstand Q zur Seite der Stangenverzahnung 434 hin von der Mitte L2 von am Gehäuse 41 gehaltenen rechten und linken Enden 35g und 35h versetzt ausgebildet (siehe 21).
29 ist eine Schnittansicht des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus und der Stangenführung in der elektrischen Servolenkvorrichtung nach dieser Variante der vierten Ausführung. Die Rückseite der Abflachung 39e, wo die Stangenverzahnung 434 an dem die Verzahnung bildenden Teil 39 ausgebildet ist, kombiniert eine gekrümmte konvexe Oberfläche 39f, deren Bogenmitte der Punkt L4 ist, d.h. die Mitte L4 der Zahnstange 35, und einen davon abstehenden geradlinigen Vorsprung 39g, der zur Rückseite, d.h. von dem Ritzel 433 weg, entlang der Referenzlinie L5 absteht.
Das konkave Ende 464a hat eine verjüngte Form mit zwei flachen Oberflächen, die die gekrümmte Rückseite 39f an ersten und zweiten Kontaktpunkten O1 und O2 berühren. Diese zwei flachen Oberflächen sind somit Tangenten zur gekrümmten Rückseite 39f an den ersten und zweiten Kontaktpunkten O1 und O2. Eine Mittelvertiefung 464b ist in der Mitte dieser Verjüngung ausgebildet, um den geradlinigen Vorsprung 39g aufzunehmen.
Wie in 30 gezeigt und oben in der dritten Ausführung in Bezug auf 27 beschrieben, sind die Positionen der ersten und zweiten Kontaktpunkte O1 und O2 relativ zur Mitte L2 der vom Gehäuse 41 gehaltenen Zahnstange 35 so gesetzt, dass ein Kippen des konvexen Teils (der Rückseite 39f) der Zahnstange 35 an dem konkaven Ende 464a beschränkt ist, wenn eine Kippkraft auf die Zahnstange 35 wirkt.
Die Position der Mitte L4 des die Verzahnung bildenden Teils 39 ist um einen Abstand Q von der Mitte L2 der am Gehäuse 41 gehaltenen Zahnstange 35 zur Stangenverzahnung 434 hin versetzt. Der Kippradius r1 ist daher kleiner als der Bogenradius r2 (r1 < r2).
Wenn die Zahnstange 35 versucht, gemäß der Figur von der Mitte L2 im Uhrzeigersinn zu drehen (in Richtung des Pfeils Ru), wird die Rückseite 39f durch das konkave Ende 464a am Kontaktpunkt O1 gestützt. Die Zahnstange 35 kann daher nicht kippen. Ähnlich, wenn die Zahnstange 35 versucht, gemäß der Figur von der Mitte L2 im Gegenuhrzeigersinn zu rollen, wird die Rückseite 39f durch das konkave Ende 464a am Kontaktpunkt O2 gestützt. Daher kann die Zahnstange 35 wiederum nicht kippen.
Die Zahnstange 35 ist so aufgenommen, dass sie an dem Gehäuse 41 längs gleiten, jedoch darin nicht kippen kann.
31 zeigt eine weitere Variante der in den 28 bis 30 gezeigten ersten Variante. Die zweite Variante ist gekennzeichnet durch ein Kontaktelement 434a, das an dem Führungselement 461 über eine zwischengeschaltete Spindel 467 drehbar gehalten ist. Dieses Kontaktelement 464A ersetzt das in 37 gezeigte Kontaktelement 464. Dieses Kontaktelement 464A ist ein Drehkörper, der an der Spindel 467 drehbar gehalten ist, die parallel zur Mittel L1 des Ritzels 433 angeordnet ist. Das verjüngte konkave Ende 464a ist um die Außenseite des Kontaktelements 464A herum ausgebildet.
Vierte Ausführung
32 ist eine Schnittansicht der Zahnstange 35 in einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführung der Erfindung, die unten beschrieben ist. 32 ist mit 23 der obigen dritten Ausführung vergleichbar.
Während die Mitte L4 des die Verzahnung bildenden Teils 39 in der Zahnstange 35 nach der vierten Ausführung um einen Abstand Q von der Mitte L2 der Zahnstange 35 von der die Verzahnung bildenden Oberfläche weg versetzt ist, ist die Zahnstange 35 in der dritten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte L2 der Zahnstange 35 koaxial zur Mitte des die Verzahnung bildenden Teils 39 ist.
Das Gehäuse 41 nimmt die Zahnstange 35 darin in Längsrichtung verschiebbar auf. Das Ende 35g der Zahnstange 35 wird von dem ersten Lager 47 des Gehäuses 41 gehalten. Das zweite Lager 48 des Gehäuses 41 trägt das andere Ende 35h der Zahnstange 35 mit einem kleinen Spalt δ dazwischen.
Die Zahnstange 35 der vierten bevorzugten Ausführung ist in Form, Funktion und Effekt identisch mit der Zahnstange 35 der in 14 und 15 gezeigten zweiten Ausführung. Das heißt, die Zahnbreite W1 der an der Zahnstange 35 ausgebildeten Stangenverzahnung 34 ist größer als der Durchmesser D1 des Halteteils 35g, wie in 14 und 15 gezeigt.
Der Prozess zur Herstellung dieser Zahnstange 35 ist auch identisch mit dem in 16 gezeigten Prozess.
Das Ritzel und die Stangenverzahnung des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus sind Schraubverzahnungen, identisch mit dem Ritzel 33 und der Stangenverzahnung 34 der in 7A bis 7D gezeigten ersten Ausführung.
Nachfolgend wird der Betrieb der Zahnstange nach dieser bevorzugten Ausführung (d.h. der in 14 und 15 gezeigten Zahnstange) mit der in 33 bis 35 gezeigten Referenzwelle verglichen.
Die in 33 gezeigte Zahnstange 35 ist eine gerade Stange mit einem Halteteil 35x, das an dem Gehäuse gehalten wird, und einem eine Verzahnung bildenden Teil 39x, wo die Stangenverzahnung 34x ausgebildet ist. Das Halteteil 35x hat einen Kreisquerschnitt mit dem Durchmesser D1. M ist die Länge des die Verzahnung bildenden Teils 39x und L2 ist die Mitte der Zahnstange 35.
34 zeigt das Ritzel 33x in Eingriff mit der Stangenverzahnung 34x. Das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39x hat einen Kreisquerschnitt mit dem gleichen Durchmesser wie das Halteteil 35x. Anzumerken ist, dass die Zahnbreite W2 der Stangenverzahnung 34x durch den Abstand Z von der Mitte L2 der Referenzabwälzlinie Pi der Stangenverzahnung 34x bestimmt ist. Es ist auch klar ersichtlich, dass die Breite W2 kleiner ist als der Durchmesser D1 des Halteteils 35x (W2 < D1).
Der Wälzkreisdurchmesser des Ritzels 33x ist d2 und der Abstand von der Mitte L1 des Ritzels 33x zur Mitte L2 der Zahnstange 35 ist Y1.
In der in 34 gezeigten Schnittansicht des die Verzahnung bildenden Teils 39x seien die Punkte C1 und C2 die Endpunkte der Stangenverzahnungsbreite auch der Referenzabwälzlinie Pi der Stangenverzahnung 34x, und der Punkt C3 sei der Schnittpunkt zwischen dem Außenumfang (Bogen) des die Verzahnung bildenden Teils 39x und einer Linie, die orthogonal zur Referenzabwälzlinie Pi durch den Punkt C2 hindurchgeht. Der Punkt C3 befindet sich auch am Schnittpunkt einer Linie, die durch den Punkt C1 und die Mitte L2 des Querschnitts (Zahnstange 35) hindurchgeht. Das Dreieck, dessen Scheitel C1, C2 und C3 sind, ist daher ein rechtwinkliges Dreieck. Die Länge der Seite C1-C2 ist W2, die Länge der Seite C2-C3 ist (2·Z) und die Länge der Seite C1-C3 ist der Durchmesser D1.
35 zeigt dieses rechtwinklige Dreieck der Scheitel C1, C2 und C3. Es ist klar ersichtlich, dass die Länge W2 der Seite C1-C2 mittels der folgenden Gleichung erhalten werden kann.
Wie zuvor beschrieben, ist die Zahnbreite W1 der in 15 gezeigten Stangenverzahnung 34 größer als der Durchmesser D1 des Endes 35g (Halteteil), d.h. W1 > D1. Wenn der Durchmesser D1 des Halteteils 35g in 15 gleich dem Durchmesser D1 des Halteteils 35x in der Vergleichs-Zahnstange von 34 ist, dann ist die Zahnbreite W1 der Stangenverzahnung 334 in der vorliegenden Ausführung größer als die Zahnbreite W2 der Stangenverzahnung 35x in diesem Vergleich.
Somit ist in der in 15 gezeigten vorliegenden Ausführung das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39 so ausgebildet, dass die Zahnbreite W1 der Stangenverzahnung 334 größer ist als die hypothetische Zahnbreite W2 der Stangenverzahnung 334, die durch die Dimension bestimmt ist, die für den Abstand Z spezifiziert ist, das ist der Abstand von der Mitte L2 zur Referenzabwälzlinie Pi der Stangenverzahnung 334, wenn man annimmt, dass das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39 koaxial zur Mitte L2 des Halteteils 35g ist und den gleichen Durchmesser (D1) hat wie das Halteteil 35g. Die Zahnbreite W1 in der in 15 gezeigten Ausführung beträgt angenähert das 1,5-fache der Zahnbreite W2 des in 34 gezeigten Vergleichs.
Weil die Zahnbreite W1 der Stangenverzahnung 334 vergrößert ist, wie in 15 gezeigt, ist die mechanische Festigkeit (die Biegefestigkeit und die Tragfestigkeit) der Stangenverzahnung 334 signifikant verbessert. Weil dasjenige Teil der Zahnstange 35, wo die Stangenverzahnung 334 nicht ausgebildet ist, zum Drehen der gelenkten Räder gleiten können muss, muss sie die gleiche Steifigkeit haben wie eine herkömmliche Zahnstange. Daher ist nur die Zahnbreite W1 der Stangenverzahnung 334 vergrößert, und die Dicke T1 ist um einen äquivalenten Betrag reduziert. Weil die Dicke T1 des die Verzahnung bildenden Teils 39 kleiner als der Durchmesser D1 der Zahnstange 35 ist, ist das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39 von der Mitte L2 der Zahnstange 35 zu dem Ritzel 333 hin versetzt. Im Ergebnis ist die Querschnittsfläche des die Verzahnung bildenden Teils 39 im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche der Zahnstange 35, und das Gewicht der Zahnstange 35 ändert sich im Wesentlichen nicht, obwohl die Stangenverzahnungsbreite W1 größer ist als der Zahnstangendurchmesser D1. Daher ist es möglich, das Gewicht der Zahnstange 35 zu beschränken.
Wie aus dem Obigen klar ersichtlich, kann das Gewicht der Zahnstange 35 beschränkt werden, während gleichzeitig die mechanische Festigkeit (Biegefestigkeit und Tragfestigkeit) der Stangenverzahnung 334 erhöht werden kann, und zwar als Folge der Vergrößerung der Zahnbreite W1 der Stangenverzahnung 334.
Anzumerken ist auch, dass obwohl die Stangenführung 60 von der der Stangenverzahnung 334 entgegengesetzten Seite her zu dem Ritzel 333 drückt, wie in 13 gezeigt, wegen der reduzierten Dicke T1 kein praktischer Effekt auf die Biegefestigkeit der Zahnstange 35 vorhanden ist.
36 und 37 zeigen eine Variante der in 14 und 15 gezeigten Zahnstange 35.
Die in 36 gezeigte Zahnstange 35 ist eine runde Stange, in der Längsschnitt ein Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39A ausgebildet ist. Anzumerken ist, dass der Durchmesser dieses Stangenverzahnungs-Bildungsteils 39A größer ist als der Durchmesser D1 der Zahnstange 35. Das heißt die Zahnstange 35 hat einen Durchmesser-kleinen Endteil 39g, durch das die Zahnstange 35 an dem Gehäuse 41 gehalten wird (siehe 32), und ein Durchmesser-großes Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39A, wo die Stangenverzahnung 334 ausgebildet ist. Anzumerken ist, dass der Durchmesser D1 des Endteils 35g kleiner ist als der Durchmesser D2 des Stangenverzahnungs-Bildungsteils 39A (D1 < D2). Die Zahnstangenmitte L2 ist auch die Mitte des Endteils 35g und des Stangenverzahnungs-Bildungsteils 39A.
Wie in 37 gezeigt, ist eine Stangenverzahnungs-Bildungsabflachung 39e an einem Teil des Stangenverzahnungs-Bildungsteils 39A ausgebildet, und die Stangenverzahnung 334 ist an dieser Abflachung 39e ausgebildet. Die Zahnbreite W3 der Stangenverzahnung 334 ist kleiner als der Durchmesser D1 des Endteils 35g (W3 < D1). Durch Vergrößerung des Durchmessers nur an dem Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39A der Zahnstange 35 kann das Gesamtgewicht der Zahnstange 35 begrenzt werden. Anzumerken ist ferner, dass diese Zahnstange 35 mittels einer Schmiedetechnik hergestellt werden kann, wie oben beschrieben.
In der in 36 und 37 gezeigten Variante ist das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39A so ausgebildet, dass die Zahnbreite W3 der Stangenverzahnung 334 in dieser Variante größer ist als die hypothetische Zahnbreite W2 der Stangenverzahnung 334, die bestimmt wird durch die Dimension, die für den Abstand Z spezifiziert ist, dies ist der Abstand von der Mitte L2 zu der Referenzabwälzlinie Pi der Stangenverzahnung 334, wenn man annimmt, dass das Stangenverzahnungs-Bildungsteil 39A den gleichen Durchmesser (D1) im zur Längsachse orthogonalen Schnitt hat wie das Halteteil 35g. Durch diese Vergrößerung der Zahnbreite W3 der Stangenverzahnung 334 in der Zahnstange 35 nach dieser Variante wird die mechanische Festigkeit (Biegefestigkeit und Tragfestigkeit) der Stangenverzahnung 334 erhöht, während auch das Gewicht der Zahnstange 35 beschränkt wird.
Elektrische Servolenkvorrichtung (10) mit einem Motor (82) zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments entsprechend dem Lenkdrehmoment sowie ein Zahnstangen- und Ritzelmechanismus (32) zum Übertragen der Drehmomentunterstützung auf die Zahnstange. Das Ritzel (33) und die Stangenverzahnung (34) des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus sind beide Schraubverzahnungen, und sie übertragen ein hohes Drehmoment auf die Zahnstange (35). Die Schraubverzahnungen haben ein Bogenkrümmungs-Zahnprofil. Die Zähne eines Bogenkrümmungs-Zahnprofil-Verzahnungssatzes kämmen mit Kontakt zwischen konvexen und konkaven Oberflächen. Im Vergleich zur Evolventenverzahnung ist daher die Kontakfläche größer und der Kontaktdruck ist geringer. Im Vergleich zur Evolventenverzahnung sind die Oberflächenermüdungsfestigkeit, die Biegefestigkeit und die Biegeermüdungsfestigkeit somit größer. Das kombinierte Lenkdrehmoment und Hilfsdrehmoment wird effizient auf die Zahnstange übertragen, und die Haltbarkeit reicht aus, um Motorträgheit-bedingte Drehmomentlast auszuhalten.

Claims

Elektrische Servolenkvorrichtung (10) umfassend: einen Motor (82) zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments entsprechend einem Lenkdrehmoment; einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus (32) für ein Lenksystem, wobei der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus eine Stangenverzahnung und ein Ritzel aufweist; und einen Untersetzungsgetriebemechanismus (110) zum Übertragen des Hilfsdrehmoments auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, wobei das Ritzel (33) und die Stangenverzahnung (34) des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus beide Schraubverzahnungen sind, das Ritzel einen Schraubwinkel (θ) aufweist, der kleiner festgelegt ist als ein Reibwinkel (ρ) der Schraubverzahnung, eine der Schraubverzahnungen ein Zahnprofil aufweist, bei dem zumindest eine Zahnkopffläche (33f, 34a) derselben ein Kreisbogen ist, der allgemein auf einer Referenzabwälzlinie (Pi) zentriert ist, und die andere der Schraubverzahnungen ein Zahnprofil aufweist, bei dem zumindest eine Zahnfußfläche (33g, 34b) derselben ein Kreisbogen ist, der allgemein auf der Referenzabwälzlinie (Pi) zentriert ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Drehmomentbegrenzer (90), der zwischen dem Motor (82) und dem Untersetzungsgetriebemechanismus (110) angeordnet ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Lenkdrehmomentsensor (70) zum Erfassen eines Lenkdrehmoments, wobei der Lenkdrehmomentsensor ein magnetostriktiver Sensor zum Erfassen von Magnetostriktion einer Ritzelwelle des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus (32) ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Untersetzungsgetriebemechanismus (110) eine Kombination eines Antriebszahnrads (112) und eines Abtriebszahnrads (113) aufweist, wobei die Zahnoberflächen des Antriebszahnrads oder die Zahnoberflächen des Abtriebszahnrads oder beide mit einer Beschichtung aus reibungsminderndem Material beschichtet sind, und wobei das Antriebszahnrad und das Abtriebszahnrad ohne Lose miteinander in Eingriff stehen.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ritzel (33, 333) und/oder die Stangenverzahnung (34, 334) des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus (32, 332) aus einem geschmiedeten oder anderweitig plastisch bearbeiteten Teil gebildet ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Zahnstange (35), an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, so angeordnet ist, dass eine Rückseite (61a) an einer Seite, die jener entgegengesetzt ist, an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, durch einen Einstellbolzen (63) über ein zwischengeschaltetes Stangenführungselement (61) und eine Druckfeder (62) zu dem Ritzel hin gedrückt wird, wobei die Rückseite des Stangenführungselements direkt von dem Einstellbolzen unter Druck gesetzt wird, wenn das Ritzel und die Stangenverzahnung miteinander in Eingriff stehen.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zahnstange (35), an der die Stangenverzahnung (34, 334) ausgebildet ist, aus einem Rohr-Ausgangsmaterial hergestellt ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zahnstange (35), an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, in einem Gehäuse (41) nicht kippbar und in dessen Längsrichtung verschiebbar aufgenommen ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Rückseite (39f) der Zahnstange, die der Fläche entgegengesetzt ist, an der die Stangenverzahnung ausgebildet ist, konvex ist, und wobei eine Stangenführung (460) angeordnet ist, die ein konvexes Ende (464) zum Berühren der konvexen Rückseite (39f) an Kontaktpunkten (O1, O2) aufweist und die konvexe Rückseite (39f) der Zahnstange zu der Stangenverzahnung hin drückt, wobei die Kontaktpunkte in Bezug auf die von dem Gehäuse (41) gehaltene Zahnstange derart gesetzt sind, dass das konkave Ende ein Verkippen des konvexen Teils der Zahnstange beschränkt, wenn eine Kippkraft auf die Zahnstange wirkt, und die Zahnstange hierdurch in dem Gehäuse nicht kippbar aufgenommen ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Stangenführung (460) das Führungselement (461) mit dem konkaven Ende (464) zur Seite der Zahnstange (35) mittels eines Einstellbolzens (463) durch eine zwischengeschaltete Druckfeder (462) drückt, wobei der Einstellbolzen direkt auf eine Rückseite der Oberfläche, an der das konkave Ende ausgebildet ist, zu dem Führungselement drückt, wenn das Ritzel und die Stangenverzahnung in Eingriff stehen.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, in der ein Halteteil (35g), durch das die Zahnstange an dem Gehäuse (41) über zwischengeschaltete Lager (47, 48) gehalten wird, und ein Stangenverzahnungs-Bildungsteil (39), an dem die Stangenverzahnung ausgebildet ist, an der Zahnstange (35) angeordnet sind, wobei: wenn ein zur Achse des Stangenverzahnungs-Bildungsteils orthogonaler Querschnitt ein Kreisquerschnitt mit gleichem Durchmesser wie das Halteteil ist und der Abstand von der Mitte des Kreisquerschnitts zu der Referenzabwälzlinie (Pi) auf eine spezifische Dimension gesetzt ist, die tatsächliche Zahnbreite (W1) der Stangenverzahnung größer ist als die durch die spezifische Dimension bestimmte Stangenverzahnungsbreite (W2).
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zahnbreite (W1) der an der Zahnstange (35) ausgebildeten Stangenverzahnung größer ist als der Durchmesser (D1) der Zahnstange in jenem Teil, wo die Stangenverzahnung nicht ausgebildet ist.