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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnstangengehäuse für eine Servolenkung,
welches eine Zahnstange rohrartig umgibt und mindestens einen Ritzeleingriffsbereich
aufweist, über
die eine Ritzeleinheit zur Längsbewegung
der Zahnstange anbringbar ist.
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Zahnstangenlenkungen
werden bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die über das Lenkrad aufgebrachte
drehende Lenkbewegung in eine geradlinige Bewegung zum Verschwenken
der zu lenkenden Fahrzeugräder
umzuwandeln. Zur Lenkkraftunterstützung kommt hierbei ein Servoantrieb
zum Einsatz, der an geeigneten Stellen innerhalb des Lenkkraftflusses
angeordnet werden kann.
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Bei
der Zahnstangenlenkung ist das Ende der Lenksäule mit einem Ritzel verbunden,
welches in die Zahnstange eingreift und diese beim Drehen der Lenkung
seitlich verschiebt. An beiden Enden der Zahnstange ist jeweils
eine Spurstange über
ein Kugelgelenk angeschlossen. Der äußerst geringe Verschleiß hat für die große Verbreitung
der Zahnstangenlenkung gesorgt. Zahnstangenlenkungen haben eine
gute Rückmeldung
und ein sehr gutes Rückstellvermögen.
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Üblicherweise
bestehen Zahnstangengehäuse
aus Aluminium und werden im Druckgussverfahren hergestellt. Nach
dem Gießen
ist eine spanende Bearbeitung erforderlich, um beispielsweise die Ritzeleinheit
am Zahnstangengehäuse
montieren zu können,
auch werden Anlageflächen
für die
zu montierenden Teile gefräst.
Weiterhin werden Grund- und Durchgangsbohrungen zur Befestigung
angefertigt. Ein Zahnstangengehäuse
weist einen mechanischen Bereich und einen hydraulischen Bereich
auf. Der mechanische Bereich ist derjenige Bereich, in dem sich der
Bereich der Zahnstange bewegt, der mit Zähnen versehen ist und der mit
dem Ritzel in Eingriff kommt. Der Ritzeleingriffsbereich befindet
sich also im mechanischen Bereich des Zahnstangengehäuses. Der
hydraulische Bereich dagegen ist derjenige Bereich, in den die Zahnstange
ebenfalls hineinreicht aber üblicherweise
keine Verzahnung aufweist. Innerhalb des hydraulischen Bereichs
ist die Zahnstange mit einem verschieblich gelagerten Kolbenelement
verbunden, an dessen Stirnseiten je eine Zylinderkammer ausgebildet
ist. Bei Verdrehung des Lenkrads des Fahrzeugs wird ein Steuerventil
betätigt,
so dass Drucköl
in jeweils eine der Zylinderkammern einströmt, wodurch sich der Kolben
und somit die Zahnstange im Zylinder verschiebt. Die Verschiebung
des Kolbens aufgrund des Drucköls
dient als Kraftverstärkung
für die
Zahnstangenbewegung. Zu diesem Zweck sind das Steuerventil und das
Zahnstangengehäuse über Hydraulikleitungen
miteinander verbunden, so dass je nach Drehrichtung des Lenkrads
die eine oder andere Zylinderkammer mit Drucköl gefüllt oder entleert werden kann.
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Wesentlich
für die
Funktion der Lenkkraftunterstützung
ist zum einen die Abdichtung zwischen dem Kolbenelement und der
Innenwandung des Zahnstangengehäuses
und zum anderen ein möglichst
geringer Widerstand gegen die Bewegung der Zahnstange. Das Kolbenelement
ist deshalb üblicherweise
gegen die Innenwandung mit Hilfe eines Dichtungselementes, beispielsweise
einem O-Ring abgedichtet. Um eine Bewegung mit möglichst geringem Reibwiderstand
zu gewährleisten,
muss die Innenwandung möglichst
glatt, also von höchster
Güte sein.
Gleiche Anforderungen bestehen an die Zylinderform, beziehungsweise
den Querschnitt des Zahnstangengehäuses über den hydraulischen Bereich.
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Die
DE 4201730 A1 beschreibt
ein Zahnstangengehäuse,
das vollständig
aus Stahl hergestellt ist. Die Gehäuseteile sind einstückig miteinander
ausgebildet und im Innenhochdruckverfahren hergestellt. Ein Hydraulikbereich
ist mit zwei Anschlussstutzen ausgebildet, wobei Ausbeulungen aufgebohrt
und wenn nötig
mit einem Innengewinde versehen sind. Im Ritzelbereich sind mehrere
Ausdrückungen
vorgesehen, um u. a. eine Lenkwelle aufzunehmen, die fest mit einem
Lenkrad verbunden ist. Die Herstellung dieses Zahnstangengehäuses ist sehr
aufwendig und mit hohen Kosten verbunden.
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Aus
der
DE 32 48 001 A1 ist
ein Zahnstangengehäuse
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bekannt.
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Grundsätzlich erfüllt das
in der oben genannten Druckschrift beschriebene Zahnstangengehäuse hohe
Anforderungen auch an die Güte
der Innenwandung. Auf grund dieser hohen Anforderungen ist der Aufwand
zur Herstellung aber relativ hoch und mit entsprechenden Kosten
verbunden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Herstellungsaufwand
und die Kosten für
ein Zahnstangengehäuse
zu reduzieren und dabei trotzdem den hohen Anforderungen, an die
Qualität
und Güte
gerecht zu werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Zahnstangengehäuse
gelöst,
das gekennzeichnet ist durch einen ersten Zahnstangenhäuseabschnitt
höherer
Güte für einen
hydraulischen Bereich und einen zweiten Zahnstangengehäuseabschnitt geringerer
Güte für einen
mechanischen Bereich des Zahnstangengehäuses.
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Erfindungsgemäß wird also
der Aufwand für die
Fertigung einer ausreichend hohen Güte der Innenwandung des Zahnstangengehäuses auf
denjenigen Bereich begrenzt, für
den die hohe Güte
auch tatsächlich
notwendig ist. Lediglich im hydraulischen Bereich gleitet das Kolbenelement
an der Innenwandung, im mechanischen Bereich des Zahnstangengehäuses besteht
kein Kontakt zwischen der Zahnstange und der Innenwandung.
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Die
beiden Zahnstangengehäuseabschnitte können in
einer vorteilhaften Ausführungsvariante über einen
Schweißring
miteinander verbunden werden. Bei einem innenliegenden Schweißring bilden beide
Zahnstangengehäuseabschnitte
zusammen ein auf seiner Außenseite
durchgängiges
Gesamtrohr. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführung besteht auch darin, dass
der Schweißring
gleichzeitig als inneres Stützlager
für die
Zahnstange dienen kann, das sonst übliche zusätzliche Stützlager kann ersatzlos entfallen.
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Der
hydraulische Bereich des erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses entspricht
vorteilhafterweise DIN 2393. Der Zahnstangengehäuseabschnitt geringerer Güte kann
vorteilhafterweise wandstärken-
und/oder durchmesser reduziert beziehungsweise – optimiert ausgeführt werden.
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Das
erfindungsgemäße Zahnstangengehäuse für eine Lenkung
weist im Allgemeinen einen geradlinigen, zwei Öffnungen im Zahnstangengehäuse definierenden
Durchbruch zur Aufnahme und verschiebbaren Lagerung einer den Durchbruch
durchgreifenden Zahnstange auf. Erfindungsgemäß ist gemäß einer weite ren Ausgestaltung
wenigstens ein gehäuseseitig
vorgesehener Anschlag zur Verschiebewegbegrenzung der Zahnstange
vorgesehen.
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Anschlag
im Sinne der Erfindung ist weit auszulegen. Beispielsweise kann
der Anschlag unmittelbar mit der Zahnstange, beispielsweise mit
einer daran vorgesehenen Verdickung, zusammenwirken und deren Verschiebung
in eine Richtung begrenzen. Bevorzugt ist der Anschlag so ausgelegt,
dass bei der Verschiebebewegung der Zahnstange beim Lenken ein Gelenkteil
des die Zahnstange mit der Spurstange verbindenden Gelenks, beispielsweise
Kugelgelenks, an den Anschlag anschlägt um so die Verschiebebewegung
der Zahnstange zu begrenzen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses zeichnet
sich dadurch aus, dass der Anschlag durch ein in den Durchbruch
eingesetztes, aus Stahlblech hergestelltes Anschlagsteil bereitgestellt
wird oder dass der Anschlag am Zahnstangengehäuse ausgebildet ist. Dadurch
kann ein herkömmlicher
Anschlagring vorteilhaft entfallen. Dies spart Gewicht und reduziert nicht
nur die Transportkosten der Zahnstangenlenkung sondern verringert
auch das Gewicht des betreffenden Fahrzeugs und verbessert somit
dessen Energiebilanz. Zudem ist die Herstellung des Anschlagsteils
durch Stahlblech beziehungsweise das Ausbilden des Anschlags am
Gehäuse
vergleichsweise einfach und kann in wenigen Arbeitsschritten erfolgen,
was die Herstellungskosten verringert. Das aus Stahlblech hergestellte
Anschlagsteil kann zudem vergleichsweise einfach mit dem Gehäuse durch
Widerstandsschweißen
verbunden werden, was die thermisch Beanspruchung und damit die
Gefahr von Verzug verringert. Der Anschlag oder das Anschlagsteil
sind nicht auf die Anschlagsfunktion eingeschränkt und können auch zusätzlich der
Abstützung
und Führung
der Zahnstange dienen.
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Bevorzugt
wird durch eine Querschnittsverringerung des Durchbruchs des Zahnstangengehäuses der
Anschlag definiert oder das Anschlagsteil definiert eine Querschnittsverringerung.
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Bei
einer besonders einfachen Variante des durch das Zahnstangengehäuse ausgebildeten
Anschlags wird der Anschlag dadurch gebildet, dass der Durchbruch
bzw. dessen Querschnitt über
die gesamte Durchbruchslänge
so eng bemessen ist, dass es am Rand des Durchbruchs zum Anschlag
mit der Zahnstange oder mit dem Gelenk zwischen Zahnstange und Spurstange
kommt. Das Zahnstan gengehäuse
bedarf bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft keiner weiteren Bearbeitung
zur Herstellung des Anschlags.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Anschlag oder
das Anschlagsteil durch eine zur Längsachse des Durchbruchs symmetrische Querschnittsverringerung
des Durchbruchs des Zahnstangengehäuses definiert. Dadurch kann
sicher der Anschlag und vor Allem ohne die Notwendigkeit, bei der
Montage eine Montagerichtung beachten zu müssen, bereitgestellt werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Anschlag oder
das Anschlagsteil im Bereich der Öffnung des Durchbruches des
Zahnstangengehäuses
angeordnet. D. h. der Anschlag oder das Anschlagsteil ist an einem
der beiden oder an beiden Öffnungsbereichen
des Zahnstangengehäuses
angeordnet. Im Allgemeinen weist ein Zahnstangengehäuse ein
zum hydraulischen Bereich nächst benachbarten Öffnungsbereich
und einen zum mechanischen Bereich nächst benachbarten Öffnungsbereich
auf. Bevorzugt ist der Anschlag oder das Anschlagsteil wenigstens
an dem zum mechanischen Bereich nächst benachbarten Öffnungsbereich,
also an dem Zahnstangegehäuse
geringerer Güte,
angeordnet.
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Das
Anschlagsteil aus Stahlblech wird in einer Ausgestaltung vergleichsweise
einfach durch Blechumformen hergestellt. Bevorzugt wird das Anschlagsteil
durch ein Tiefziehverfahren hergestellt. Zur Vermeidung einer bei
der Montage nachteilig zu beachtenden Vorzugsrichtung ist das Anschlagsteil rotationssymmetrisch
ausgebildet. Dadurch werden Montagefehler vermieden. Bevorzugt ist
das Anschlagsteil aus einem Stahlblech geringer Güte hergestellt.
Geringe Güte
in diesem Sinne meint beispielsweise eine Güte, die geringer als die Güte des Stahls
des wenigstens einen, den Durchbruch definierenden Stahlrohrs ist.
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Das
Anschlagsteil wird in einer Ausgestaltung schlüssig mit dem Zahnstangengehäuse verbunden,
beispielsweise durch Einpressen oder gegen eine Anlage, dann besteht
Formschluss.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anschlagsteil napfförmig und
ist mit einem zentralen Durchgang für die Zahnstange ausgebildet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der durch das Gehäuse ausgebildete
Anschlag durch Kaltumformen, wie Stanzen, des Zahnstangengehäuses ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Zahnstangengehäuse im Bereich der Öffnung einen
nach außen
sich aufweitenden, d. h. tulpenförmigen,
Fortsatz zur Befestigung einer Manschette, beispielsweise einer
Gelenkmanschette aus Gummi, auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem Fortsatz
um ein Tiefziehteil, das beispielsweise mit dem Stahlrohr verschweißt wird.
In einer Ausgestaltung wird der Anschlag durch den tulpenförmigen Fortsatz
gebildet.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die
Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich
bevorzugte Ausführungsvarianten
dar. Es zeigen:
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1:
Ein Zahnstangengehäuse
mit dazugehörigen
Komponenten in perspektivischer Darstellung von außen,
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2:
das Zahnstangengehäuse
im Schnitt,
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3:
ein Übergangsbereich
des zweiteiligen Zahnstangengehäuses;
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4:
ein zum mechanischen Bereich benachbartes Ende einer Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses im
Schnitt;
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5:
ein zum mechanischen Bereich benachbartes Ende eines erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses in
alternativer Ausgestaltung im Schnitt;
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6:
ein zum mechanischen Bereich benachbartes Ende eines erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses in
einer weiteren alternativer Ausgestaltung im Schnitt.
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Ein
erfindungsgemäßes Zahnstangengehäuse 20 ist
im Wesentlichen zylinderförmig
ausgeführt. Innerhalb
des Zahnstangengehäuses 20 befindet sich
eine nicht dargestellte Zahnstange. Die Zahnstange wird über ein
mit der Lenksäule
verbundenes Ritzel bewegt. Dieses ebenfalls nicht dargestellte Ritzel
ist in einem Turmrohr 22 angeordnet. Sowohl das Zahnstangengehäuse 20 als
auch das Turmrohr 22 weisen zu diesem Zweck Öffnungen
auf, die im montierten Zustand in Deckung gebracht sind und einen Ritzeleingriffsbereich
ausbilden.
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1 zeigt
weiterhin, dass das Zahnstangengehäuse 20 zur Befestigung
Halterungen 24 aufweist, die jeweils im Wesentlichen endseitig
angeordnet sind und Befestigungsöffnungen 26 aufweisen.
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Auf
der dem Turmrohr 22 gegenüberliegenden Seite des Zahnstangengehäuses 20 ist
ein Gleitsteinrohr 28 angeordnet, in dem ein ebenfalls
nicht erkennbarer Gleitstein untergebracht ist. Das Turmrohr 22 weist
im gezeigten Beispiel zwei Versorgungsanschlüsse 30 auf.
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Das
Turmrohr ist zusätzlich über Ölleitungen 36 mit
dem Zahnstangengehäuse 20 verbunden.
Das Zahnstangengehäuse 20 weist
zwei Bereiche auf, einen hydraulischen Bereich 32 und einen
mechanischen Bereich 34 (vgl. auch 2). Weiterhin
ist eine Entlüftungsleitung 37 gezeigt,
die die beiden Zahnsstangengehäuseabschnitte
verbindet.
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Der
Ritzeleingriffsbereich befindet sich im mechanischen Bereich 34,
in dem die Zahnstange eine Verzahnung aufweist. Im hydraulischen
Bereich 32 weist die Zahnstange keine Verzahnung auf, sondern
ist mit einem verschieblich gelagerten Kolbenelement verbunden.
Der Kolben unterteilt den hydraulischen Bereich 32 in zwei
Zylinderkammern, an die jeweils eine Ölleitung 36 angeschlossen
ist. Die Ölleitungen 36 sind über das
Turmrohr 22 mit einem nicht gezeigten Steuerventil verbunden,
so dass über
entsprechenden Öldruck
in den Zylinderkammern der Kolben in die gewünschte Richtung verschoben
wird und somit eine Kraftunterstützung
für die
Lenkung gewährleistet
ist.
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2 zeigt
das Zahnstangengehäuse 20 im Schnitt,
wodurch auch innenliegende Komponenten erkennbar sind. Das Zahnstangengehäuse 20 ist zweiteilig
ausgeführt,
wobei der eine Teil den hydraulischen Bereich 32 und der
andere Teil den mechanischen Bereich 34 ausbildet. Die
beiden Bereich 32, 34 sind über einen Schweißring 38 miteinander
verbunden, durch den sich die Zahnstange hindurch erstreckt. Das
Zahnstangengehäuse 20 ist
also in zwei Zahnstangengehäuseabschnitte
aufgeteilt, wobei der erste Zahnstangengehäuseabschnitt für den hydraulischen
Bereich 32 eine hohe Güte
und der zweite Zahnstangengehäuseabschnitt
für den
mechanischen Bereich 34 eine geringere Güte aufweist.
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Der
hydraulische Bereich 32 weist endseitig einen Anschlagring 40 für den nicht
gezeigten Kolben der Zahnstange und der mechanische Bereich 34 endseitig
einen zusätzlichen
Lagerring 42 für
den anderen Endbereich der Zahnstange auf. Das Zahnstangengehäuse 20 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel
endseitig aufgeweitet und der Lagerring 42 formschlüssig eingesetzt.
Er überträgt die durch
die Zahnstange eingeleitete Druckkraft formschlüssig auf das Zahnstangengehäuse 20.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wirkt der Schweißring 38 gleichzeitig
als Stützlager
für die Zahnstange,
somit kann ein sonst üblicher
zusätzlicher
Stützring
vollends entfallen. Weiterhin dient der Schweißring 38 auch als
Anschlag für
den Kolben der Zahnstange. Sowohl an dem Schweißring 38, als auch
am Anschlagring sind auf Seiten der Zylinderkammern Dichtungselemente 44 angeordnet.
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3 verdeutlicht
in einer Ausschnittsvergrößerung die
Doppelfunktion des Schweißrings 38 als
Schweißring
und Lagerring für
die Zahnstange. Erkennbar ist auch, dass der Schweißring 38 den
hydraulischen Bereich 32 und den mechanischen Bereich 34 miteinander
verbindet, indem die entsprechenden Rohrabschnitte auf diesen aufgeschweißt sind.
Anstelle der Verschweißung
mit dem Schweißring 38 ist
auch eine andere Art der Verbindung denkbar, beispielsweise können die
Zahnstangengehäuseabschnitte
auch mit einem innen liegenden Ring verklebt oder verklemmt werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine wesentliche Kosteneinsparung bei der Herstellung von Zahnstangengehäusen 20.
Es ist nicht notwendig, dass gesamte Zahnstangengehäuse mit
durchgängig
hoher Güte
herzustellen, die Anforderungen an den mechanischen Bereich sind
deutlich niedriger. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern umfasst zum Beispiel sämtliche
Möglichkeiten
zur Verbindung zweier Zahnstangengehäuseabschnitte miteinander.
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Die 4 bis 6 dienen
der Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Anschlagausgestaltung bei
einem Zahnstangengehäuse 100, 100', 100'', wie sie auch bei dem in den 1 bis 3 gezeigten
Zahnstangengehäuse 20 vorgesehen
sein kann. Das erfindungsgemäße Zahnstangengehäuse 100 weist
einen geradlinigen zur Längsachse 109 symmetrischen,
zylinderförmigen
Durchbruch 102. Dieser definiert zwei Öffnungen, von denen in den 4 bis 6 lediglich
die Öffnung 104 gezeigt
ist. Innerhalb des Durchbruchs 102 des Zahnstangengehäuses 100 befindet
sich im montierten Zustand der Lenkung eine nicht dargestellte Zahnstange.
Im Bereich beider Öffnungen,
also auch bei der gezeigten Öffnung 104 weist
das Gehäuse
tulpenförmige,
im Tiefziehverfahren hergestellte Fortsätze 105 aus Stahlblech
auf, die auf das betreffende Stahlrohr 110 aufgeschweißt sind.
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Wie
in 4 deutlich zu erkennen ist, die eine Detailansicht
des zum mechanischen Bereich benachbarten Endes des Zahnstangengehäuses 100 zeigt,
weist das Stahlrohr 110 eine zur Längsachse 109 des Durchbruchs 102 symmetrische
Querschnittsverringerung auf, so dass der Rand den Anschlag 108 bildet,
an dem ein nicht dargestelltes Verbindungsgelenk zwischen Zahnstange
und Spurstange anschlagen kann, um den Verschiebeweg der Zahnstange
zu begrenzen. Somit wird erfindungsgemäß der Anschlag 108 durch
das Zahnstangengehäuse 100 ausgebildet.
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In 5 ist
eine dazu alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses 100' gezeigt. Hier
weist das Stahlrohr 110' einen
solchen Querschnitt auf, dass der Rand, der sich durch die Querschnittsverringerung
vom tulpenförmigen
Fortsatz 105 zum Stahlrohr 110' ergibt als Anschlag 108' dient und somit
dieser erfindungsgemäß durch
das Zahnstangengehäuse 100' ausgebildet
ist.
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In 6 ist
eine weiter alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Zahnstangengehäuses 100'' gezeigt, bei der der Anschlag 108'' durch ein in den Durchbruch 102'' eingesetztes Anschlagsteil 111'' bereitgestellt wird. Das um die Längsachse 109 rotationssymmetrische
Anschlagsteil 111'' ist napfförmig und
mit einem zentralen Durchgang für
die Zahnstange ausgebildet und wird im Tiefziehverfahren aus Stahlblech
hergestellt. Es ist in das Stahlrohr 110'' eingepresst
und der Rand um den zentralen Durchgang 102'' bildet
eine Querschnittsverringerung 108'',
die als Anschlagsstelle fungiert.