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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
mit einem Elektromotor, welcher eine lenkunterstützende Kraft mittels einer
Kugelgewindeeinrichtung auf eine Zahnstange zum Auslenken von Fahrzeugrädern überträgt, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Die
gattungsgemäße Schrift
beschreibt eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge mit einem Lenkungsgehäuse, einem
Elektromotor und einer Zahnstange zum Auslenken von Fahrzeugrädern. Die
Zahnstangenlenkung weist eine Getriebeeinrichtung auf, mittels der
die Zahnstange mit einer Ausgangswelle des Elektromotors antriebsmäßig verbunden
ist. Die Getriebeeinrichtung ist dabei als Riemengetriebe ausgebildet.
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Die
lenkunterstützende
Kraft des Elektromotors wird über
das Riemengetriebe mittels eines Kugelgewindetriebs auf die Zahnstange übertragen.
Die Kugelgewindeeinrichtung weist dabei eine Lenkmutter und eine
Gewindespindel auf, deren Gewindegänge über Kugeln eines Kugeltriebs
miteinander in Eingriff stehen. Die Lenkmutter ist um die Zahnstangenachse
drehbar im Lenkgehäuse
gelagert. Die Gewindespindel ist dadurch gebildet, dass die Zahnstange über eine
dem Hub entsprechende Länge
als Gewindespiel ausgeführt
ist, auf der die Lenkmutter mit eingefädelten Kugeln läuft.
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Die
zylindrisch um die Zahnstangenachse laufenden Gewindegänge der
Lenkmutter bzw. der Gewindespindel stehen über die eingefädelten Kugeln
miteinander in Eingriff, weshalb eine Drehung der Lenkmutter um
die Zahnstangenachse zu einer achsparallelen Verschiebung der Zahnstange
relativ zum Lenkgehäuse
führt.
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Zur
Erzielung einer umlenkspielfreien Kraftübertragung wird die Kugelgröße in der
Regel so gewählt,
dass der eingefädelte
Kugeltrieb spielfrei läuft.
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In
Lenkgetrieben erfolgt die Bewegungs- und Kraftübertragung von der Zahnstange
auf die Räder über Spurstangen.
Diese liegen in der Regel nicht parallel zur Zahnstangenachse, sondern
weisen gegenüber
der Zahnstange einen Knickwinkel (Pfeilung) auf. Aufgrund dieses
Winkels wird die Kugelgewindeeinrichtung nicht nur durch eine reine
Axialkraft belastet, sondern auch durch eine Querkraft und ein Biegemoment.
Beide sind abhängig
von der Hubstellung der Zahnstange und der Größe und Pfeilung der Spurstangenkräfte. Querkraft
und Biegemoment führen
dazu, dass die Kugeln im Kugeltrieb abhängig von ihrer jeweiligen Position
im Gewindegang unterschiedlich belastet werden. Die Lastaufteilung
innerhalb des Kugeltriebs bzw. der Kugelkette wird dadurch ungleichförmig. Die
Kugeln im Bereich des axialen Endes der Lenkmutter erfahren Pressungsspitzen,
wodurch die Kugeln und die Gewindelaufbahnen der Lenkmutter und
der Gewindespindel stärker geschädigt werden
als dies bei gleichmäßiger Lastaufteilung
der Fall wäre.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in konstruktiv
einfacher und kostengünstiger
Weise eine regelmäßigere Lastaufteilung
in der Kugelgewindeeinrichtung zu erreichen und damit deren Tragfähigkeit
zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch,
dass das Radialspiel der Kugeln des Kugeltriebs von einem axial
mittleren Bereich zu den axialen Enden der Lenkmutter zunimmt, kann sich
die Zahnstange, wenn durch eine Spurstangenkraft ein Biegemoment
oder eine Querkraft eingeleitet wird, zunächst nahezu frei innerhalb
des Bereiches der Lenkmutter verformen. Erst wenn durch diese Verformung
das Radialspiel der Kugeln aufgebraucht ist, tragen auch jeweils
die Hälfte
der Kugeln an den Enden der Mutter. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird
die Lastverteilung innerhalb des Kugeltriebs bzw. der Kugelkette
bei großen
Lasten gleichmäßiger als
vorher. In einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann
vorgesehen sein, dass der Gewindegang der Lenkmutter von dem axial
mittleren Bereich zu den axialen Enden der Lenkmutter fortschreitend
nach außen
verlagert ist, wobei sich ein konischer Verlauf als besonders geeignet
herausgestellt hat.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Gewindegang der Lenkmutter im axial mittleren
Bereich der Lenkmutter zylindrisch ausgebildet ist. Fädelt man
Kugeln ein, die im mittleren zylindrischen Bereich der Lenkmutter
zu einer spielfreien Paarung führen,
haben die Kugeln zu den axialen Endbereichen der Lenkmutter hin
jeweils ein zunehmendes Radialspiel, wodurch sich einerseits die
Vorteile der Erfindung ergeben und andererseits eine umlenkspielfreie
Kraftübertragung gegeben
ist. Die Kugelgewindeeinrichtung bleibt somit in allen Betriebszuständen, also
auch bei Kleinlast, spielfrei.
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In
einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Radialspiel der Kugeln im äußeren Bereich der Lenkmutter
durch eine gewünschte
Tragfähigkeit
der Kugelgewindeeinrichtung bzw. des Kugeltriebs ausgelegt bzw.
bestimmt sind. Diese optimierte Auslegung der Tragfähigkeit
des Kugeltriebs kann in Abhängigkeit
vom Lastkollektiv, mit dem der Kugeltrieb belastet wird, durch eine
geeignete Wahl des im Bereich der axialen Enden der Lenkmutter nach
außen
verlagerten Gewindegangs erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es,
den Grad der Ungleichmäßigkeit
der Lastaufteilung im Kugeltrieb zu reduzieren und damit dessen Tragfähigkeit
zu verbessern.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Nachfolgend
ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
prinzipmäßig dargestellt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine prinzipmäßig dargestellte
erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Das
Prinzip und die Funktionsweise von Zahnstangenlenkungen ist aus
dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise der
DE 103 10 492 A1 , hinlänglich bekannt,
weshalb nachfolgend nur auf die für die Erfindung wesentlichen
Elemente näher
eingegangen wird.
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Die
Figur zeigt eine elektrisch unterstützte Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge.
Eine die Lenkbewegung des Fahrers unterstützende Kraft wird dabei von
einem Elektromotor 1 erzeugt und mittels eines Riemengetriebes 2 über eine
Kugelgewindeeinrichtung 3 auf eine Zahnstange 4 zum
Auslenken von nicht dargestellten Fahrzeugrädern übertragen. Die Bewegungs- und
Kraftübertragung
von der Zahnstange 4 auf die Fahrzeugräder erfolgt dabei über Spurstangen,
welche in der Regel nicht parallel (Positionen 5, 6)
zur Zahnstangenachse 4a liegen, sondern gegenüber der
Zahnstangenachse 4a einen Knickwinkel (Positionen 7, 8)
bzw. eine Pfeilung aufweisen. Der Knickwinkel 7, 8 belastet
dabei die Zahnstange 4 und somit auch die Kugelgewindeeinrichtung 3 mit
einer Querkraft "Q" und einem Biegemoment "B", welche zusätzlich zu der Axialkraft "A" wirken.
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Die
Kugelgewindeeinrichtung 3 weist eine Lenkmutter 9 und
eine Gewindespindel 10 auf, deren Gewindegänge 9a, 10a über Kugeln 11 eines
Kugeltriebs in Eingriff stehen. Dabei ist die Zahnstange 4 über eine
definierte Länge
als Gewindespindel 10 ausgeführt. Die Lenkmutter 9 ist
drehbar in einem Lenkgehäuse 25 gelagert.
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Der
Gewindegang 9a der Lenkmutter 9 ist im in axialer
Richtung mittleren Bereich 12 zylindrisch ausgebildet und
zu den axialen Enden 13 der Lenkmutter 9 radial
nach außen
verlagert. Der Gewindegang 9a ist dabei in den Endbereichen 13 der
Lenkmutter 9 fortschreitend weiter nach außen verlagert und
weist konische Endenkorrekturen 14, 15 auf. Das Radialspiel
der Kugeln 11 nimmt somit von dem axial mittleren Bereich 12 zu
den axialen Enden 13 der Lenkmutter 9 zu. Der
Grad der Ungleichmäßigkeit der
Lastaufteilung, die die Kugeln 11 im Kugeltrieb gemäß dem Stand
der Technik abhängig
von ihrer jeweiligen Position (16 bis 22) unterliegen,
insbesondere die Pressungsspitzen in den Positionen 16 und 22,
werden somit reduziert bzw. ausgeglichen.
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Die
Kugeln 11 und die Gewindegänge 9a bzw. 10a der
Lenkmutter 9 bzw. der Gewindespindel 10 sind im
Ausführungsbeispiel
derart ausgebildet, dass die Kugeln 11 im axial mittleren
Bereich der Lenkmutter 9 spielfrei verlaufen.
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Der
Verlauf der konischen Endenkorrektur 14, 15 ist
im Ausführungsbeispiel
abhängig
vom Lastkollektiv, mit dem der Kugeltrieb belastet wird, so ausgelegt,
dass die Tragfähigkeit
des Kugeltriebs optimiert ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist eine Übertragung der
lenkunterstützenden
Kraft von dem Elektromotor 1 auf die Kugelgewindeeinrichtung 3 mittels
dem Riemengetriebe 2, welches ein dem Elektromotor 1 zugeordnetes
Ritzel 23 und eine mit der Lenkmutter 9 verbundene
Riemenscheibe 24 aufweist, dargestellt. Das Ritzel 23 ist
dabei mit der Riemenscheibe 24 über einen – strichliniert dargestellten – Zahnriemen verbunden.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich jedoch
bei allen bekannten Übertragungsmechanismen
einsetzen und ist nicht auf den Einsatz eines Riemengetriebes 2 beschränkt.
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Wesentlich
bei der erfindungsgemäßen Lösung ist,
dass das Radialspiel der Kugeln 11 des Kugeltriebs von
dem axial mittleren Bereich 12 zu den beiden axialen Enden 13 zunimmt.
Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Gewindelaufbahn
für die
Kugeln 11 im Bereich der axialen Enden 13 derart
vergrößert ist,
dass die Kugeln 11 ein größeres Radialspiel haben, wodurch
sich die Zahnstange 4 zunächst nahezu frei innerhalb
des Bereichs der Lenkmutter 9 verformen kann.