DE102006043578A1

DE102006043578A1 - Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel

Info

Publication number: DE102006043578A1
Application number: DE200610043578
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmid
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2006-09-16
Filing date: 2006-09-16
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel, insbesondere bei einer Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug. Dabei ist ein in Richtung der Zahnstange belastetes, in einer Gehäusebohrung eines Gehäuses verschieblich geführtes Druckstück vorgesehen. Das Druckstück weist ein drehbares Führungselement auf, an welchem die Zahnstange anliegt. Das Druckstück ist mit einer drehbar gelagerten Welle versehen, auf der sich das Führungselement abwälzt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel, insbesondere bei einer Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Zahnstangenlenkung.
Stand der Technik
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 103 14 358 A1 bekannt.
Des weiteren wird bezüglich derartiger Zahnstangenlenkungen auf die EP 1 559 631 A1 , die US 2005/193849 A1 und die EP 934 863 B1 verwiesen.
Die zitierten Schriften zum Stand der Technik beschreiben Zahnstangenlenkungen für ein Kraftfahrzeug. Bei diesen Lenkungen wird die Zahnstange in Längsrichtung verschiebbar in einem Lenkgehäuse geführt. Ein in dem Lenkgehäuse drehbar gelagertes Ritzel greift in die Verzahnung der Zahnstange ein und bewirkt bei Drehung der mit dem Ritzel drehfest verbundenen Lenksäule die seitliche Verlagerung der Zahnstange, die wiederum über Spurstangen und Achsschenkel zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder des Kraftfahrzeugs führt. Der Eingriff des Ritzels in die Zahnstange wird spielfrei gehalten, indem ein gegenüber dem Ritzel an der Zahnstange anliegendes Druckstück unter Federvorspannung die Zahnstange gegen das Ritzel drückt. Das Druckstück muss dabei zum einen die erforderliche Anpresskraft übertragen können und zum anderen eine Lagerfläche bieten, die bei der Verschiebung der Zahnstange auf dem Druckstück keine nennenswerten Reibkräfte und keinen wesentlichen Verschleiß hervorruft.
Ein derart ausgebildetes Druckstück ist aus der DE 103 14 358 A1 vorbekannt. Gemäß 4 dieser Vorveröffentlichung wird eine rollende Reibung zwischen Zahnstange und Druckstück realisiert, indem im Druckstück über ein Wälzlager eine an die Kontur der Zahnstange angepasste Führungsrolle aufgenommen ist. Diese Führungsrolle ist auf einer Tragachse angeordnet, die mit ihren beiden äußeren Enden im Druckstück aufgenommen ist.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2004 053 462 A1 ist es ferner bekannt, den Eingriff des Ritzels in die Zahnstange spielfrei zu halten, indem das Druckstückspiel über eine Stellschraube eingestellt wird, welche dabei auch die Federvorspannung beeinflusst.
Gemäß der DE 10 2004 053 462 A1 ist das Druckstück an seiner der Zahnstange zugewandten Fläche mit einer Gleitfolie versehen. Dabei ist jedoch ein Einsatz einer Führungsrolle nicht vorgesehen.
Bei den Druckstücken mit Gleitfolie ist es von Nachteil, dass aufgrund der hohen Verzahnungskräfte, insbesondere bei elektromechanischen Lenksystemen, ein Wirkungsgradverlust und ein Verschleiß vorhanden ist. Des weiteren ist die Reibung höher als bei den Vorrichtungen, die über eine Führungsrolle verfügen.
Die bekannten Lösungen mit einer Führungsrolle weisen jedoch einen erhöhten Druckstückaußendurchmesser bzw. eine erhöhte Bauhöhe auf. Zudem sind die mit einer Führungsrolle versehenen Druckstücke hinsichtlich ihrer Konstruktion aufwändig.
Von Nachteil bei den Lösungen gemäß dem Stand der Technik ist zudem das Geräuschverhalten des Lenkgetriebes.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel zu schaffen, welche eine kompakte Bauweise mit einem geringen Druckstückaußendurchmesser aufweist, die den Wirkungsgrad einer Zahnstangenlenkung verbessert, den Verschleiß minimiert sowie einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass sich das Führungselement auf der drehbar gelagerten Welle abwälzen kann und somit keine zentrische Lagerung des Führungselements erforderlich ist, wodurch erheblich Bauraum eingespart werden kann. Das Führungselement ist dabei vorzugsweise als Führungsrolle oder Führungskugel ausgebildet. Der durch die erfindungsgemäße Lösung mögliche geringere Rollendurchmesser der Führungsrolle führt sowohl zu einem kleineren Druckstückaußendurchmesser als auch zu einer kompakten Bauweise. Aufgrund der Rollreibung zwischen dem Druckstück und der Zahnstange ergibt sich ein guter Wirkungsgrad der Zahnstangenlenkung. Des weiteren verbessert sich das Geräuschverhalten des Lenkgetriebes. Die Druckstückspielzunahme über die Lebensdauer ist geringer als bei den Lösungen gemäß dem Stand der Technik und kann weiter dadurch reduziert werden, dass die Führungsrolle und/oder die Welle aus gehärtetem Stahl gebildet sind. Dadurch lässt sich auch der Verschleiß optimieren.
Die freie bzw. nicht gelagerte Anordnung der Führungsrolle bietet gegenüber den bisher bekannten zentrisch gelagerten Rollen in der Praxis deutliche Vorteile. Bei Lenksystemen mit Kugelumlauf, z. B. bei einem achsparallelen Antrieb, kann das Verdrehmoment der Zahnstange mit verringerter Reibung aufgenommen werden. Die Zahnstange mit dem Kugelumlaufgewinde kann dadurch aus einem kostengünstigen Rundstahl gefertigt werden.
Von Vorteil ist es, wenn das Druckstück eine Aussparung aufweist, in der die Führungsrolle angeordnet ist. Die Aussparung kann dabei beispielsweise als Tasche ausgebildet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Führungsrolle über die Tasche im Druckstück seitlich und/oder in Längsrichtung fixiert ist, ähnlich wie dies bei einem Rollenkäfig der Fall ist. Die Tasche im Druckstück ist vorzugsweise an die Dimensionen der Führungsrolle, insbesondere im Hinblick auf deren Durchmesser und Länge soweit angepasst, dass die Tasche die Drehbewegung der Führungsrolle aufgrund einer Längsbewegung der Zahnstange nicht behindert, die Führungsrolle jedoch, insbesondere an deren Stirnseiten, geführt bzw. fixiert ist. Die aus der Verschiebung der Zahnstange resultierende Drehbewegung der Führungsrolle wird dadurch, dass die Führungsrolle auf dem Außenumfang der Welle aufliegt, an die Welle weitergegeben, welche somit ebenfalls in Rotation versetzt wird.
Um ein seitliches Ausweichen der Zahnstange zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass die Zahnstange zusätzlich zu der Führungsrolle über eine Gleitfolie (Einlegefolie) geführt ist. Hierzu kann das Druckstück an seiner der Zahnstange zugewandten Fläche mit der Gleitfolie versehen sein. Die Gleitfolie kann dabei einen Ausschnitt für die Führungsrolle aufweisen. Die Gleitfolie kann auch als Transportsicherung dienen, um ein Herausfallen der Führungsrolle aus der Aussparung bzw. der Tasche des Druckstücks zu verhindern.
Die Welle, auf der sich die Führungsrolle abwälzt bzw. auf deren Außendurchmesser die Führungsrolle aufliegt, kann auf beliebige Art und Weise gelagert werden. Hierzu sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Lösungen nahegelegt. Als besonders geeignet hat sich die Lagerung der Welle mittels Nadellager herausgestellt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Welle an jedem Ende über ein Nadellager gelagert ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Nadellager an ihren einander zugewandten Stirnseiten mit Anlaufborden versehen sind, welche Führungselemente bilden, zwischen denen die Führungsrolle geführt ist. Die Anlaufborde grenzen dabei an die jeweils zugewandte Stirnseite der Führungsrolle an.
Üblicherweise ist das Druckstück dadurch in Richtung auf die Zahnstange belastet, dass das Druckstück mit Hilfe einer Feder in axialer Richtung gegen die Zahnstange vorgespannt ist. Hinsichtlich der Vorspannung des Druckstücks mittels einer Feder sind eine Vielzahl von Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt. Für die erfindungsgemäße Lösung eignet sich besonders eine Ausgestaltung des Druckstücks, wie dies in der DE 10 2004 053 462 A1 beschrieben ist. Die Feder ist dabei als Federscheibe ausgebildet, welche in der Grundstellung durch einen Zapfen des Druckstücks eingefedert ist. Hinsichtlich dieser vorteilhaften Ausführungsform wird die DE 10 2004 053 462 A1 explizit zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine besonders vorteilhafte spielfreie Anfederung der Zahnstange über ein Druckstück mit integrierter Rolle mittels Stellschraube und Federelement.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Zahnstangenlenkung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer in einem Gehäuse verschieblich gelagerten Zahnstange, mit einem mit einer Lenkspindel verbundenen, mit der Zahnstange in Eingriff stehenden Ritzel und mit einer Vorrichtung zum Andrücken der Zahnstange an das Ritzel, wie dies vorstehend beschrieben wurde bzw. wie sich dies aus einem der Ansprüche 1 bis 16 ergibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig dargestellt. Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II der 1;
3 eine Draufsicht auf ein Druckstück mit integrierter Führungsrolle;
4 einen Längsschnitt durch ein Druckstück gemäß 3; und
5 eine vergrößerte Darstellung der Anordnung einer Führungsrolle und einer drehbar gelagerten Welle gemäß 1.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Zahnstangenlenkgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit Druckstücken zum Koppeln einer Zahnstange gegen ein Ritzel sind bereits hinlänglich bekannt, wozu nur beispielsweise auf die DE 29 28 732 C2 , die DE 198 11 917 A1 , die DE 10 2004 053 462 A1 und die DE 103 14 358 A1 verwiesen wird. Nachfolgend wird deshalb lediglich auf die für die Erfindung relevanten Merkmale näher eingegangen.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik und aus den vorgenannten Patentpublikationen ist das Grundprinzip eines derartigen Kupplungsmechanismus für eine Zahnstange und deren Antriebsritzel hinlänglich bekannt.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange 1 an ein mit der Zahnstange 1 in Eingriff stehendes Ritzel 2 ein Druckstück 3 auf. Das Druckstück 3 ist über eine Feder 4 in Richtung der Zahnstange 1 belastet. Die Feder 4 ist im Ausführungsbeispiel als Federscheibe ausgebildet. Das Druckstück 3 ist in einer Gehäusebohrung 5a eines Gehäuses 5 verschieblich geführt. An dem von der Zahnstange 1 abgewandten Ende des Druckstücks 3 ist eine Stelleinrichtung 6 vorgesehen mittels derer in bekannter Weise das Druckstückspiel eingestellt und gegebenenfalls nachgestellt werden kann. Die Stelleinrichtung 6 ist im Ausführungsbeispiel im wesentlichen als Stellschraube ausgebildet.
Das Druckstück 3 weist ein drehbares nicht zentrisch gelagertes Führungselement 7 auf, welches als Führungsrolle ausgebildet ist und an dem die Zahnstange 1 anliegt. Bei einer Momenteneinleitung über das Ritzel 2 stützt sich die Zahnstange 1 aufgrund der resultierenden Verzahnungsabweiskräfte an der Führungsrolle 7 ab. Die Führungsrolle 7 wälzt sich bei einer Längsverschiebung der Zahnstange 2 an einer im Druckstück 3 drehbar gelagerten Welle 9 ab. Die Führungsrolle 7 dreht sich dabei, bleibt jedoch, wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, in ihrer Position unveränderlich, d. h. das Abwälzen auf der Welle 9 erfolgt dadurch, dass die Führungsrolle 7 die Welle 9 über deren Außenumfang antreibt (ähnlich wie bei einem Reibrad). Die Führungsrolle 7 ist in einer Aussparung 10 des Druckstücks 3 im wesentlichen frei beweglich angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist die Aussparung 10 als Tasche ausgebildet. Die Führungsrolle 7 ist über die Tasche 10 im Druckstück 3 seitlich geführt bzw. fixiert. Zudem ist im Ausführungsbeispiel, wie sich insbesondere aus 5 ergibt, vorgesehen, dass die Führungsrolle 7 an ihren Stirnseiten geführt ist. Die Führung erfolgt dabei mittels Anlaufborde 11 der Nadelhülsen von Nadellagern 12. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Nadellager 12 vorgesehen, deren primäre Funktion darin besteht, die Welle 9 an beiden Enden zu lagern. Die Position der beiden Nadellager 12 ist dabei derart gewählt, dass sich die Führungsrolle 7 zwischen den beiden Nadellagern 12 befindet, so dass die Anlaufborde 11 an den einander zugewandten Stirnseiten der Nadellager 12 zur Führung für die Führungsrolle 7 verwendet werden können.
Über die Einpresstiefe der Nadellager 12 bzw. die Anlaufborde 11 kann das axiale Spiel der Führungsrolle 7 eingestellt werden. Die Nadellager 12 erfüllen somit zwei unterschiedliche Aufgaben.
Bei einer geringen Belastung der Führungsrolle 7 ist es vorteilhaft, diese als zylindrischen Wälzkörper auszubilden. Hierfür kann in kostengünstiger Weise die Rolle eines herkömmlichen Zylinderrollenlagers Verwendung finden. Bei einer höheren Belastung kann die Führungsrolle 7, wie in 5 dargestellt, mit einer konvexen Form 7a bzw. einer an die Kontur der Zahnstange 1 angepassten Form ausgeführt sein. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung der Hertz'schen Pressung.
Im Ausführungsbeispiel sind die Führungsrolle 7 und die Welle 9 aus gehärtetem Stahl gebildet.
Eine besonders vorteilhafte Fixierung der Welle 9 in axialer Richtung ergibt sich, wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, durch den Einsatz eines O-Rings 13, welcher die stirnseitigen Enden der Welle 9 umfasst.
Wie sich insbesondere aus 4 ergibt, kann vorgesehen sein, dass das Druckstück 3 einen Schmiermittelspeicher 14 bzw. einen Fettspeicher zur Schmierung der Wälzkörper aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schmierstoffspeicher 14 die Welle 9 umgibt und mit der Tasche 10 in Verbindung steht.
Im Ausführungsbeispiel ist des weiteren vorgesehen, dass das Druckstück 3 an seiner der Zahnstange 1 zugewandten Fläche mit einer Gleitfolie 15 versehen ist. Die Gleitfolie weist dabei einen Ausschnitt 15a für die Führungsrolle 7 auf. Zudem ist die Gleitfolie 15 als Transportsicherung für die Führungsrolle 7 ausgebildet, um ein Herausfallen derselben aus der Tasche 10 zu verhindern.
Der Verschleiß an der Gleitfolie 15 wird durch den Einsatz der Führungsrolle 7, verglichen mit dem Stand der Technik, deutlich verringert.
Die erfindungsgemäße Lösung ist bevorzugt für Zahnstangenlenkungen für Kraftfahrzeuge geeignet, selbstverständlich hierauf jedoch nicht beschränkt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch bei Zahnstangenlenkungen in anderen Bereichen eingesetzt werden.

1: Zahnstange
2: Ritzel
3: Druckstück
4: Feder
5: Gehäuse
5a: Gehäusebohrung
6: Stelleinrichtung/Stellschraube
7: Führungsrolle
7a: konvexe Form
8
9: Welle
10: Aussparung, Tasche
11: Anlaufborde
12: Nadellager
13: O-Ring
14: Schmierstoffspeicher
15: Gleitfolie
15a: Ausschnitt der Gleitfolie

Claims

Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel, insbesondere bei einer Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem in Richtung der Zahnstange belasteten, in einer Gehäusebohrung eines Gehäuses verschieblich geführten Druckstück, wobei das Druckstück ein drehbares Führungselement aufweist, an welchem die Zahnstange anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (3) mit einer drehbar gelagerten Welle (9) versehen ist, auf der sich das Führungselement (7) abwälzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (3) eine Aussparung (10) aufweist, in der das Führungselement (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (7) an seinen Stirnseiten geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement als Führungsrolle (7) oder Führungskugel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrolle (7) als zylindrischer Wälzkörper ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrolle (7) eine konkave Form (7a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9) über Nadellager (12) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nadellager (12) an ihren einander zugewandten Stirnseiten mit Anlaufborden (11) versehen sind, zwischen denen die Führungsrolle (7) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (9) in axialer Richtung mittels wenigstens einem O-Ring (13) fixiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (3) einen Schmierstoffspeicher (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (3) an seiner der Zahnstange (1) zugewandten Fläche mit einer Gleitfolie (15) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfolie (15) einen Ausschnitt (15a) für die Führungsrolle (9) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfolie (15) als Transportsicherung ausgebildet ist, um ein Herausfallen der Führungsrolle (9) zu verhindern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (7) und/oder die Welle (9) aus gehärtetem Stahl gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (3) mit einer als Federscheibe ausgebildeten Feder (4) in Richtung auf die Zahnstange (1) belastet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellschraube (6) zur Einstellung des Druckstückspiels vorgesehen ist.
Zahnstangenlenkung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer in einem Gehäuse verschieblich gelagerten Zahnstange (1), mit einem mit einer Lenkspindel verbundenen, mit der Zahnstange (1) in Eingriff stehenden Ritzel (2) und mit einer Vorrichtung zum Andrücken der Zahnstange an das Ritzel nach einem der Ansprüche 1 bis 15.