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Die
Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
3527236 A1 ist eine Lenkvorrichtung bekannt, die ein Ritzel
und eine Zahnstange aufweist. Ritzel und Zahnstange sind in einem
Getriebegehäuse
angeordnet. Eine Reibvorrichtung soll an der Zahnstange auftretende Stoßkräfte abbauen.
Damit sind beispielsweise durch Radflattern verursachte Lenkraddrehschwingungen gedämpft. Die
Reibvorrichtung weist einen auf der Lenkspindel angeordneten Anlaufring
auf, gegen die eine Reibscheibe angepresst ist. Die Anpresskraft
ist durch eine vorgespannte Feder bestimmt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Vorrichtung zum Dämpfen
von Schwingungen in Fahrzeuglenkungen bereitzustellen, die auf eine
zusätzliche
Reibvorrichtung verzichtet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Lenkvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lenkvorrichtung zeichnet
sich durch einen Drehstab aus, der bis zu einem vorgegebenen Verdrehwinkel φgrenz eine kleinere Verdrehsteifigkeit aufweist
als in einem Bereich oberhalb des vorgegebenen Verdrehwinkels φgrenz, wobei der Drehstab zwei aus Federstahl
hergestellte Abschnitte mit unterschiedlichen Federsteifigkeiten
umfasst. An dem vorgegebene Verdrehwinkel φgrenz ändert sich
die Torsionssteifigkeit des Drehstabes. Der Drehstab ist aus zwei
Drehstababschnitten aufgebaut, wodurch in vorteilhafter Weise eine
zweistufige Kennlinie erzielbar ist. Beide Drehstababschnitte sind
aus einem Stahlwerkstoff vorzugsweise aus einem Federstahl hergestellt.
Der Stahlwerkstoff weist eine hohe Festigkeit auf, wodurch eine
sichere Funktion des Drehstabes über
die gesamte Fahrzeuglebensdauer gewährleistet ist. Durch die geometrische Gestaltung
der Drehstababschnitte sind unterschiedliche Federsteifigkeiten
darstellbar. Ein auch Shimmy genanntes Lenkradflattern, das durch
Unwuchten der rotierenden Bauteile oder Fahrbahnungleichmäßigkeiten
verursacht wird, ist durch den zweistufigen Drehstab weitgehend
eliminierbar.
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In
Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und zweite Abschnitt
des Drehstabes aus dem gleichen Werkstoff hergestellt. Beide Drehstababschnitte weisen
gleiche Werkstoffeigenschaften auf. Dadurch sind beide Drehstababschnitt
kostengünstig
im gleichen Fertigungsverfahren wie beispielsweise in einem gleichen
Härteverfahren
herstellbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die zwei Abschnitte des
Drehstabes in Reihe geschaltet. Eine Reihenschaltung der Drehstababschnitte
ermöglicht
die Darstellung eines zweitstufigen Drehstabes, ohne den Gesamtdurchmesser
des Drehstabes zu vergrößern. Damit
ist ein zweistufiger Drehstab in vorteilhafter Weise im selben radialen Bauraum
wie ein einstufiger Drehstab anordenbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung verdreht sich bis zu dem vorgegebenen
Verdrehwinkel der erste und zweite Abschnitt des Drehstabes, bei größeren als
dem vorgegebenen Verdrehwinkel verdreht sich ausschließlich der
zweite Abschnitt des Drehstabes weiter. Bis zu dem vorgegebenen
Verdrehwinkel φgrenz verdrehen sich die in Reihe geschalteten
Drehstabab schnitte, wodurch sich eine geringere Gesamtsteifigkeit
einstellt als oberhalb des Winkels φgrenz.
Aufgrund dieser niederen Gesamtsteifigkeit ist bis zu dem vorgegebenen
Verdrehwinkel φgrenz eine Übertragung von durch Rad oder
Fahrbahn angeregten Schwingungen auf das Lenkrad vermindert. Oberhalb
des Verdrehwinkels φgrenz hat der Fahrer über den steifen Drehstab einen
guten Kontakt zur Fahrbahn.
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In
weiterer Ausgestaltung ist der erste Abschnitt des Drehstabes mit
einem Ende mit dem zweiten Abschnitt des Drehstabes und mit dem
anderen Ende mit einem einen Flanscharm aufweisenden drehsteifen
Rohr verbunden, wobei der Flanscharm in im zweiten Abschnitt des
Drehstabs angeordnete Ausnehmungen eingreift. Das Rohr ist mit der
Eingangswelle verbunden oder mit dieser einteilig ausgeführt. Die
Verbindung des ersten Torsionsstabes mit der Eingangswelle und mit
dem zweiten Torsionsstab erfolgt über eine formschlüssige Verbindung
wie beispielsweise eine Stiftverbindung. Oberhalb des vorgegebenen
Verdrehwinkels φgrenz erfolgt die Übertragung des Lenkmomentes über das
verdrehsteife Rohr, der erste Drehstababschnitt wird damit überbrückt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die zwei Abschnitte des
Drehstabes parallel geschaltet. Diese Anordnung ermöglicht die
Darstellung eines sehr kurzen zweistufigen Drehstabes.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung verdreht sich bis zu dem vorgegebenen
Verdrehwinkel φgrenz der erste Abschnitt des Drehstabes
und bei größeren als
dem vorgegebenen Verdrehwinkel φgrenz verdreht sich der erste und zweite
Abschnitt des Drehstabes.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Abschnitt des
Drehstabes als ein tordierbares Rohr ausgeführt und der erste Abschnitt
des Drehstabes ist in dem tordierbaren Rohr angeordnet, wobei das
tordierbare Rohr mit einem Ende des ersten Drehstababschnittes verbunden
ist und ein am tordierbaren Rohr angeordneter Flanscharm in eine am
anderen Ende des ersten Abschnittes des Drehstabes angeordnete Ausnehmung
eingreift. Die Verbindung des tordierbaren Rohres mit dem ersten Drehstababschnitt
und die Verbindung des ersten Drehstababschnittes mit der Ritzelwelle
erfolgt beispielsweise über
eine Stiftverbindung. Diese Ausführung
ermöglicht
die Darstellung eines sehr kurz bauenden zweistufigen Drehstabes.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene Verdrehwinkel über das
Radialspiel zwischen dem Flanscharm und den Ausnehmungen bestimmbar.
Die Größe des Spaltes
zwischen den Anlageflächen
des Flanscharms und radialen Anlageflächen in der Ausnehmung, im
Weiteren auch Anschläge
genannt, bestimmen das Radialspiel bzw. den vorgegebenen Winkel φgrenz. Im unbelasteten Zustand ist der Flanscharm
mittig in der Ausnehmung angeordnet, so dass in beide Drehrichtungen
der vorgegebene Winkel φgrenz einen gleich großen Wert annimmt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen der Flanscharm und ein
Anschlag in der Ausnehmung zur Drehstablängsachse unter einem Winkel α angeordnete
radiale Anlageflächen
auf, wodurch das Radialspiel über
eine axiale Verschiebung des Flanscharms zu der Ausnehmung einstellbar
ist. Diese Anordnung ermöglicht
durch eine entsprechende Verschiebung des Flanscharms sehr kleine
Radialspiele bzw. Grenzdrehwinkel φgrenz einzustellen.
Eine Einstellung des Radialspieles erfolgt durch axiale Verschiebung
des Flanscharmes zu der Ausnehmung, sobald das gewünschte Spiel
eingestellt ist wird das den Flanscharm umfassende Bauteil, d.h. das
drehsteife Rohr oder der zweite Abschnitt des Drehstabes mit der
Eingangswelle verbunden.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
schematisierte Gesamtdarstellung einer Fahrzeuglenkung,
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2 Längsschnitt
durch eine Lenkventileinheit,
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3 Modell
eines durch Reihenschaltung eines ersten und zweiten Drehstababschnittes
aufgebauten Drehstabes,
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4 Darstellung
eines erfindungsgemäßen Drehstabes
gemäß 3,
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5 Schnitt
durch einen erfindungsgemäßen Drehstab
aus 4,
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6 Modell
eines durch Parallelschaltung eines ersten und zweiten Drehstababschnittes
aufgebauten Drehstabes,,
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7 Darstellung
eines erfindungsgemäßen Drehstabes
gemäß 6 und
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8 Darstellung
der Federsteifigkeit über dem
Verdrehwinkel eines erfindungsgemäßen Drehstabes.
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Gleiche
und gleichwirkende Bauteile in den 1–8 sind
im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Lenkungsanordnung
eines nicht näher
beschriebenen Kraftfahrzeuges. Eine Lenksäule 2 überträgt das von einem
Fahrer auf ein Lenkrad 1 ausgeübte Lenkmoment auf eine Eingangswelle 3 eines
Lenkgetriebes 16.
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Das
Lenkgetriebe 16 weist ein Gehäuse auf, dem ein Ritzel 8 und
eine Zahnstange 9 zugeordnet sind. Das Ritzel 8 steht
einerseits in Wirkverbindung mit der Eingangswelle 3 und
andererseits im Eingriff mit der Zahnstange 9. Diese Anordnung
setzt die Drehbewegung der Eingangswelle 3 bzw. des Ritzels 8 in
eine Schiebebewegung der Zahnstange 9 um. Die Zahnstange 9 steht über eine
linke und rechte Spurstange 7 mit den Vorderrädern 6 in
Verbindung. Je nach Bewegungsrichtung der Zahnstange 9 lenken
die Vorderräder 6 nach
links oder rechts. Im Lenkgetriebe 16 ist des Weiteren
ein doppelseitiges Kolben-Zylinderaggregat 10 angeordnet,
das mit der Zahnstange 9 gekoppelt ist. In Abhängigkeit
der Drehrichtung des Lenkrades 1 ist entweder die rechte oder
die linke Kolbenseite zur Lenkungsunterstützung mit Druck beaufschlagt.
Ein Lenkventil 4 steuert den erforderlichen Öldruck in
Abhängigkeit
des Lenkmomentes. Neben der schematischen Darstellung des Lenkventils 4 ist
in der 1 zum besseren Verständnis der Funktion über einen
Pfeil auf das symbolische Blockschaltbild des Lenkventils 4 verwiesen.
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2 zeigt
in einem Schnitt den Prinzipaufbau durch das Lenkventil 4.
Ein in einem Lenkventilgehäuse 21 angeordneter
Drehstab 20 ist einerseits fest mit der in 1 gezeigten
Eingangswelle 3 und andererseits mit der Ritzelwelle 24 bzw.
dem Ritzel 8 des Lenkgetriebes 16 verbunden. Der
Drehstab 20 ist auf Seite der Eingangswelle 3 mit
einem Steuernuten 23 aufweisenden Drehschieber 22 drehfest
verbunden. Diese nicht gezeigte Verbindung ist üblicherweise durch eine Verstiftung
zwischen Drehstab 20 und Drehschieber 22 hergestellt.
Die Ritzelwelle 24 ist mit einer Steuerbuchse 25 verbunden.
Im montierten Zustand des Lenkventils 4 umschließt der Drehschieber 22 den
Drehstab 20, der Drehschieber 22 ist wiederum
von der Steuerbuchse 25 umschlossen, die in dem Lenkventilgehäuse 21 angeordnet
ist. Der Drehstab 20 tordiert sich unter Last, aufgrund
dieser Torsion verdreht sich der Drehschieber 22 gegenüber der
mit der Ritzelwelle 24 verbundenen Steuerbuchse 25.
In dem Drehschieber 22 angeordnete Steuernuten 23 verdrehen
sich gegenüber
Zulauföffnungen, die
in der Steuerbuchse 25 angeordnet und in der Zeichnung
nicht weiter dargestellt sind. In Abhängigkeit des Verdrehwinkels
verändern
sich damit die öldurchströmbaren Querschnitte
in dem Lenkventil 4. Damit ist eine für die Lenkungsunterstützung erforderliche
lenkmomentabhängige
Druckregelung realisiert.
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In 3 ist
ein Modell eines durch Reihenschaltung eines ersten und zweiten
Abschnittes 20', 20'' aufgebauten Drehstabes 20 dargestellt.
Bei einer Drehmomentbelastung des Drehstabes 20 verdrehen
sich sowohl der erste als auch der zweite Abschnitt 20', 20''. Sobald der Flanscharm 28 an
einem Anschlag 26 anliegt, verdreht sich nur noch der zweite
Drehstababschnitt 20''. Bis zu einem
Winkel φgrenz
verdreht sich der erste Drehstababschnitt 20' um den Winkel φ1 und
der zweite Drehstababschnitt 20'' um
den Winkel φ2. Ab dem Winkel φgrenz verdreht sich
nur noch der zweite Drehstababschnitt 20''.
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In 4 und 5 ist
ein dem Modell aus 3 entsprechender Drehstab 20 dargestellt.
Eine Seite des Drehstabes 20 ist mit dem Ritzel 8 bzw.
mit der Ritzelwelle 24 verbunden, die andere Seite ist
mit der mit dem Lenkrad 1 gekoppelten Eingangswelle 3 verbunden.
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Die
Eingangswelle 3 umfasst ein den ersten Abschnitt 20' umgebendes
drehsteifes Rohr 27, siehe 5. Das Rohr 27 kann
einteilig oder alternativ auch mehrteilig mit der Eingangswelle 3 ausgeführt sein.
Das Rohr 27 weist einen Flanscharm 28 auf, der in
eine im zweiten Abschnitt 20'' des Drehstabes
angeordnete Ausnehmung 29 eingreift. Der zweite Abschnitt
des Drehstabes 20'' ist mit einer
in 5 nicht gezeigten Ritzelwelle 24 verbunden.
Selbstverständlich
können
auch mehrere in zugehörige
Ausnehmungen 29 eingreifende Flanscharme 28 am
Umfang des Rohres 27 angeordnet sein. Zwischen dem Flanscharm 28 und
der Ausnehmung 29 ist ein Radialspiel 31 vorgesehen.
Der erste und zweite Drehstababschnitt 20', 20'' sind
aus demselben Werkstoff hergestellt, d.h. beide Abschnitte 20', 20'' weisen die gleichen Werkstoffeigenschaften
auf. Unterschiedliche Federsteifigkeiten der Drehstababschnitte 20', 20'' ergeben sich ausschließlich aufgrund
unterschiedlicher geometrischer Gestaltung.
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Ein
Verdrehung des Rohres 27 gegenüber dem zweiten Abschnitt des
Torsionsstabes 20'' ist durch den
Anschlag 26 begrenzt. Flächen an dem Flanscharm 28 und
des Anschlages 26, die sich unter entsprechender Torsionsbelastung
berühren,
sind unter einem Winkel α zur
Drehstabslängsachse
angeordnet. Über
eine axiale Verschiebung des Flanscharmes 28 zu der Ausnehmung 29 lässt sich somit
der Radialspalt 31 einstellen. Der erste Drehstababschnitt 20' ist mit dem
zweiten Drehstababschnitt 20'' beispielsweise
form- und/oder kraftschlüssig
in axiale und radiale Richtung fest verbunden. Bei der Montage wird
die Eingangswelle 3 soweit axial über den ersten Drehstababschnitt 20' geschoben,
bis sich der gewünschte
Radialspalt 31 einstellt. Sodann erfolgt eine Verstiftung 32 des
ersten Drehstababschnittes 20' mit der Eingangswelle 3.
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Sobald
am Lenkrad
1 ein Drehmoment ansteht, verdreht sich der
erste und zweite Abschnitt
20',
20'' des
Drehstabes. Die Gesamtdrehsteifigkeit C
ges bestimmt
sich nach:
wobei die Federsteifigkeit
des ersten Abschnittes mit c
20' und die des zweiten Abschnitte
mit c
20'' bezeichnet ist.
In diesem ersten Kennfeldbereich
35 des Drehstabes
20 verdrehen
sich gemäß dem Modell
aus
3 der erste Drehstababschnitt
20' bis zu dem Verdrehwinkel φ
1 und der zweite Drehstababschnitt
20'' bis zu dem Winkel φ
2. Dieser erste Kennfeldbereich
35 ist
gemäß
9 durch
die Wittkel φ
grenz begrenzt.
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Sobald
bei φgrenz das Radialspiel 31 aufgebraucht
ist, kann sich der erste Abschnitt des Drehstabes 20' weiter verdrehen,
der Flanscharm 28 liegt am Anschlag 26 an. In
einem zweiten in 9 dargestellte Kennfeldbereich 36 weist
der Drehstab 20 eine Federsteifigkeit c20'' auf.
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Der
Drehwinkel φgrenz, bei dem ein Übergang vom ersten zum zweiten
Kennfeldbereich 35, 36 erfolgt, ist unter anderem
durch das Radialspiel 31 vorgebbar.
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In 6 ist
ein weiteres Federmodell eines Drehstabes 20 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
verdreht sich bei Belastung mit dem Moment M bis zu einem Winkel φgrenz der erste Drehstababschnitt 20', ab dem Winkel φgrenz verdrehen sich beide Drehstababschnitte 20', 20''. Bis zu dem Winkel φgrenz bestimmt sich die Federsteifigkeit
zu c20',
oberhalb des Winkels φgrenz bestimmt sich die Federsteifigkeit zu
Cges = C20' + C20''.
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In 7 und 8 ist
ein nach dem Modell aus 6 aufgebauter Drehstab 20 dargestellt.
Eine Seite des Drehstabes 20 ist mit dem Ritzel 8 bzw.
mit der Ritzelwelle 24 verbunden, die andere Seite ist
mit der mit dem Lenkrad 1 gekoppelten Eingangswelle 3 verbunden.
Der Drehstab 20 umfasst gemäß 8 einen
ersten Drehstababschnitt 20',
der von einem tordierbaren, rohrförmig ausgebildeten zweiten
Drehstababschnitt 20'' umgeben ist.
Der rohrförmig
ausgebildete zweite Drehstababschnitt 20'' ist
auf einer Seite mit dem ersten Drehstabschnitt 20' über einen Stift 32 fixiert.
Auf der anderen, dem Ritzel 8 zugewandten Seite, weist
der zweite Drehstababschnitt 20'' einen
Flanscharm 28 auf, der in eine Ausnehmung 29 des
mit der Ritzelwelle 24 verbundenen ersten Drehstababschnitts 20' eingreift,
siehe 7. Alternativ können die Ausnehmungen 29 beispielsweise
an der Ritzelwelle 24 angeordnet sein.
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Unter
Torsionsbelastung sich berührende Flächen an
dem Flanscharm 28 und dem Anschlag 26 sind entsprechend
der Ausführung
unter 4 unter einem Winkel α zur Drehstabslängsachse
angeordnet. Damit ist wie schon vorab beschrieben durch eine entsprechend
axiale Positionierung des zweiten Drehstababschnittes 20'' die das Radialspiel 31 zwischen
dem zweiten Drehstababschnitt 20'' und der
Ritzelwelle 24 bestimmende Spalt 31 einstellbar. Auch
bei dieser Ausführung
des Drehstabes 20 sind der erste und zweite Drehstababschnitt 20', 20'' vorzugsweise aus dem gleichen,
metallischen Werkstoff hergestellt.
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Bei
eine Drehmomentbelastung des Drehstabes verdreht sich bis zu dem
Winkel φgrenz der erste Drehstababschnitt 20', oberhalb des
Winkels φgrenz verdrehen sich der erste und zweite
Drehstababschnitt 20', 20''.
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In 9 ist
eine Kennlinie 33 eines erfindungsgemäßen Drehstabes 20 dargestellt.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich verläuft die Kennlinie 33 innerhalb
des Bereiches zwischen den Winkeln ±φgrenz flacher
als außerhalb.
Die Kennlinie 33 weist bei den Winkeln ±φgrenz,
die hier beispielhaft einen Wert von ca. 0.2° betragen, jeweils einen Steigungssprung
auf. Im Vergleich dazu ist die Kennlinie 34 eines gemäß dem Stand
der Technik nur einen Torsionsstababschnitt umfassenden, einstufigen
Drehstabes 20 dargestellt.
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Der
erfindungsgemäße Torsionsstab 20 vermeidet
die Übertragung
von durch Unwuchten an Fahrzeugrädern
oder eine raube Fahrbahnoberfläche
verursachte Schwingungen auf das Lenkrad 1. Im Bereich 35 verläuft die
Kennlinie 33 des erfindungsgemäßen Drehstabes 20 deutlich
flacher als die Kennlinie 34 eines Drehstabs gemäß dem Stand der
Technik. Die Schwingungsübertragung
zum Lenkrad 1 ist gegenüber
einem Torsionsstab 20 mit der Kennlinie 34 deutlich
reduziert, siehe 9. Da sich der Bereich 35 nur
auf einen sehr kleinen Winkelbereich von beispielsweise ±0.2 Grad
erstreckt, ist ei ne Beeinträchtigung
des Lenkgefühls
weitgehend vermieden. Der Winkelbereich ±φgrenz kann
jedoch selbstverständlich
entsprechend den vorliegenden Randbedingungen und Erfordernissen
durch Veränderung
des Radialspieles 31 vergrößert oder verkleinert werden.
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- 1
- Lenkrad
- 2
- Lenksäule
- 3
- Eingangswelle
- 4
- Lenkventil
- 5
- Lenkventil
- 6
- Vorderräder
- 7
- Spurstange
- 8
- Ritzel
- 9
- Zahnstange
- 10
- Kolben-Zylinderaggregat
- 11
- Tank
- 12
- Lenkhelfpumpe
- 13
- Rückschlagventil
- 14
- Druckspeicher
- 15
- Druckleitungen
- 16
- Lenkgetriebe
- 17
- Lenkgetriebe
- 18
- Lenkgetriebe
- 19
- Lenkgetriebe
- 20
- Drehstab
- 20'
- Erster
Drehstababschnitt
- 20''
- Zweiter
Drehstababschnitt
- 21
- Lenkventilgehäuse
- 22
- Drehschieber
- 23
- Steuernuten
- 24
- Ritzelwelle
- 25
- Steuerbuchse
- 26
- Anschlag
- 27
- Drehsteifes
Rohr
- 28
- Flanscharm
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Ausnehmung
- 31
- Radialspiel
- 32
- Stift
- 33
- Kennlinie
eines erfindungsgemäßen Drehstabes
- 34
- Kennlinie
eines einstufigen Drehstabes
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- gemäß dem Stand
der Technik
- 35
- Erster
Kennfeldbereich
- 36
- Zweiter
Kennfeldbereich