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Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit einer Zahnstange, die eine Längsachse aufweist, einem Zahnstangengehäuse, in dem die Zahnstange zwischen zwei Endanschlägen axial verschieblich geführt ist, sowie wenigstens einer im Zahnstangengehäuse aufgenommenen Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe, welche in axialer Richtung am Zahnstangengehäuse fixiert ist.
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Eine solche Zahnstangenlenkung ist beispielsweise aus der gattungsgemäßen
DE 10 2009 019 890 A1 bekannt. Die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe umfasst dabei wenigstens einen Anschlagring sowie wenigstens einen elastischen Kompressionskörper und lässt sich mit geringem Aufwand im Zahnstangengehäuse der Zahnstangenlenkung montieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Zahnstangenlenkung mit einer Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe zu schaffen, welche im Betrieb der Zahnstangenlenkung einem besonders geringen Verschleiß unterworfen ist und entsprechend selten ausgetauscht werden muss.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Zahnstangenlenkung der eingangs genannten Art, bei der die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe in Umfangsrichtung drehbar im Zahnstangengehäuse gelagert ist. Ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment wird bei Zahnstangenlenkungen über ein Ritzel sowie eine mit dem Ritzel in Eingriff stehende Verzahnung der Zahnstange an lenkbare Räder des Kraftfahrzeugs weitergeleitet, wobei die Verzahnung der Zahnstange insbesondere eine Schrägverzahnung ist. Es hat sich nun herausgestellt, dass die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe im Endanschlag der Zahnstangenlenkung eine erhebliche Torsionsbelastung durch die Zahnstange erfährt. Diese Torsionsbelastung ist darauf zurückzuführen, dass die Zahnstange bei der Kraftübertragung vom Ritzel auf die Zahnstangenverzahnung um ihre Längsachse verdreht wird. Bringt der Fahrer im Endanschlag der Zahnstangenlenkung weiterhin ein Lenkmoment in Richtung zum Endanschlag auf, steigt die Kontaktkraft zwischen dem Ritzel und der Zahnstangenverzahnung so stark an, dass in der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe eine Torsion von bis zu etwa 5° und Torsionsmomente von etwa 30–40 Nm auftreten können. Diese Torsionsbeanspruchung im Endanschlag der Zahnstangenlenkung trägt maßgeblich zum Verschleiß der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe bei und verringert deren Lebensdauer erheblich. Aufgrund der in Umfangsrichtung drehbaren Lagerung im Zahnstangengehäuse lässt sich die Torsionsbeanspruchung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe deutlich verringern, sodass sich deren Lebensdauer und Austauschintervalle verlängern.
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In einer Ausführungsform der Zahnstangenlenkung weist die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe einen Anschlagring auf, der in einer axialen Endanschlagstellung der Zahnstangenlenkung stirnseitig mit der Zahnstange oder einem fest mit der Zahnstange verbundenen Bauteil in Kontakt kommt. Ein solcher Anschlagring sorgt für eine weitgehend gleichmäßige Lastverteilung innerhalb der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe
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Der Anschlagring ist dabei bevorzugt ein Metallring, insbesondere ein Stahlring. Eine solch stabile und robuste Ausführung des Anschlagrings trägt zu einem besonders geringen Verschleiß der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe bei.
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Die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe weist bevorzugt einen Kompressionskörper auf, der aus einem Elastomer hergestellt und unmittelbar an den Anschlagring anvulkanisiert ist. Über diesen Kompressionskörper, insbesondere eine axiale Abmessung des Kompressionskörpers, lässt sich mit geringem Aufwand ein maximaler Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs einstellen und beispielsweise an eine vorgegebene Felgenbreite anpassen.
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Die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe weist in einer weiteren Ausführungsform der Zahnstangenlenkung einen Befestigungsring zur Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe im Zahnstangengehäuse auf. Mittels eines solchen Befestigungsrings lässt sich mit geringem Aufwand eine stabile und zuverlässige Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe realisieren.
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Der Befestigungsring kann in dieser Ausführungsform insbesondere als Hilfsabstützung ausgebildet sein, die eine Biegung der Zahnstange begrenzt. Diese zusätzliche Unterstützung der Zahnstange bei extremen Belastungen bietet den Vorteil, dass Zahnstangen mit kleinerem Durchmesser eingesetzt werden können, wodurch sich zum einen das Gewicht und zum anderen die Kosten der Zahnstangenlenkung reduzieren. Im Übrigen ist hervorzuheben, dass trotz der Hilfsabstützung Verspannungen aufgrund statisch überbestimmter Lagerung keine Rolle spielen, weil die Zahnstange weitgehend statisch bestimmt gelagert bleibt. Die Hilfsabstützung ist nämlich kein permanentes Lager, sondern bietet lediglich im Fall extremer Biegebeanspruchung eine temporäre Abstützung. Damit ist die Lagerung der Zahnstange nur während der kurzzeitigen Extrembelastung statisch überbestimmt. Außerdem ermöglicht die Hilfsabstützung die Verwendung kleinerer Verzahnungsmodule (und damit einer geringeren Zahnhöhe). Dies vergrößert den Querschnitt der Zahnstange und bietet Vorteile hinsichtlich der Verzahnungsauslegung.
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Der Befestigungsring ist vorzugsweise ein Kunststoffring, der mit dem Zahnstangengehäuse eine Rastverbindung ausbildet. Aus Kunststoff gefertigte Befestigungsringe sind preiswert herstellbar und ermöglichen über die Rastverbindung eine einfache und zuverlässige Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe am Zahnstangengehäuse.
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Zur Ausbildung der Rastverbindung sind in einer Ausführungsform der Zahnstangenlenkung an einer radialen Außenseite des Befestigungsrings über den Ringumfang verteilte Rastsegmente vorgesehen, die radial nach außen vorstehen.
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Ferner weist der Befestigungsring bevorzugt segmentförmige Ausnehmungen auf, die radial einwärts der Rastsegmente angeordnet sind. Diese Ausnehmungen ermöglichen oder erleichtern eine radiale Verformbarkeit des Befestigungsrings im Bereich der Rastsegmente. Auf diese Weise lässt sich der Befestigungsring einfacher in das Zahnstangengehäuse einführen und im Zahnstangengehäuse verschieben. In einer speziellen Ausführungsvariante ist dabei jedem Rastsegment genau eine segmentförmige Ausnehmung zugeordnet.
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Das Zahnstangengehäuse hat vorzugsweise eine zylindrische Öffnung zur Aufnahme der Zahnstange, wobei in der Öffnung eine umlaufende Nut ausgebildet ist, in welche sich die Rastsegmente des Befestigungsrings erstrecken. Auf diese Weise lässt sich die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe mit geringem Aufwand in axialer Richtung am Zahnstangengehäuse fixieren sowie in Umfangsrichtung drehbar im Zahnstangengehäuse lagern.
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In einer Ausführungsform der Zahnstangenlenkung weist die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe einen Kompressionskörper auf, der aus einem Elastomer hergestellt und unmittelbar an den Befestigungsring anvulkanisiert oder mit dem Befestigungsring verklebt ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Herstellung des Kompressionskörpers sowie dessen Verbindung mit dem Befestigungsring in einem Arbeitsschritt erfolgen kann und somit der Fertigungsaufwand für die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe besonders gering ist.
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Alternativ weist die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe einen Kompressionskörper auf, der aus einem Elastomer hergestellt und mit dem Befestigungsring verrastet ist, wobei am Kompressionskörper wenigstens ein flexibler Rastabschnitt ausgebildet ist. Dies bietet den Vorteil, dass unter Umständen auch zwischen dem Befestigungsring und dem Kompressionskörper eine Relativdrehung in Umfangsrichtung möglich ist. Der flexible Rastabschnitt am Kompressionskörper ist dabei insbesondere eine umlaufende Rastnase an einer dem Befestigungsring zugewandten Stirnseite des Kompressionskörpers.
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Die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe weist bevorzugt einen Anschlagring, einen Befestigungsring zur Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe im Zahnstangengehäuse sowie einen axial zwischen dem Anschlagring und dem Befestigungsring angeordneten Kompressionskörper auf.
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Der Kompressionskörper ist insbesondere ringförmig ausgebildet und genau wie der Anschlagring und der Befestigungsring konzentrisch zur Längsachse angeordnet.
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Hierbei ist ein Innendurchmesser des Befestigungsrings vorzugsweise kleiner als ein Innendurchmesser des Anschlagrings und auch kleiner als ein Innendurchmesser des ringförmigen Kompressionskörpers. In diesem Fall kann der Befestigungsring bei einer extremen Biegebeanspruchung und einer daraus resultierenden Verformung der Zahnstange eine vorteilhafte Hilfsabstützung bilden, die eine Biegung der Zahnstange begrenzt. Der Anschlagring und der Kompressionskörper kommen dabei aufgrund des größeren Innendurchmessers nicht mit der Zahnstange in Kontakt.
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Im Übrigen umfasst die Erfindung auch eine Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe für die oben genannte Zahnstangenlenkung, mit einem Befestigungsring, der an seiner radialen Außenseite über den Ringumfang verteilte Rastsegmente aufweist, welche radial nach außen vorstehen und zur Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe in eine Nut des Zahnstangengehäuses eingreifen können. Eine solche Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe lässt sich mit geringem Aufwand im Zahnstangengehäuse montieren und weist eine besonders hohe Lebensdauer auf.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung;
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2 einen Bereich „A“ der Zahnstangenlenkung gemäß 1 im Detailschnitt;
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3 eine perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe für die Zahnstangenlenkung gemäß 2;
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4 eine perspektivische Ansicht der zusammengesetzten Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe gemäß 3 zur Montage in einem Zahnstangengehäuse der Zahnstangenlenkung gemäß 2;
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5 ein Schnittdetail der montierten Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe aus 4 gemäß einer Ausführungsform; und
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6 ein Schnittdetail der montierten Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe aus 4 gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine Zahnstangenlenkung 10 für Kraftfahrzeuge. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zahnstangenlenkung 10 Teil eines elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystems, bei dem ein Lenkrad 12 über eine Lenksäule 14 mit einem Servoventil 16 und einem Ritzel 18 verbunden ist. Das Ritzel 18 kämmt mit einer Zahnstange 20, sodass diese durch eine am Lenkrad 12 aufgebrachte, manuelle Lenkkraft beaufschlagt wird. Außerdem ist ein hydraulischer Stellzylinder 22 vorgesehen, der die Zahnstange 20 in bekannter Art und Weise mit einer hydraulischen Lenkhilfskraft beaufschlagen kann. Alternativ kann die Lenkhilfskraft auch anders aufgebracht werden, beispielsweise mittels eines Elektromotors.
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An ihren axialen Enden ist die Zahnstange 20 über Spurstangen 24 mit lenkbaren Rädern 26 eines Kraftfahrzeugs gekoppelt, wobei die Zahnstange 20 durch jeweils ein Kugelgelenk 28 mit den Spurstangen 24 verbunden ist. In einem Verbindungsbereich „A“ zwischen Zahnstange 20 und Spurstange 24 ist an einem Zahnstangengehäuse 30 ein Endanschlag für die Zahnstange 20 ausgebildet, wobei durch den Endanschlag ein maximaler Lenkeinschlag definiert ist. Bei einer Lenkbewegung bis zum Endanschlag treten hohe mechanische Beanspruchungen in der Zahnstangenlenkung 10 auf. Um Schäden an der Lenkung zu vermeiden, ist daher üblicherweise eine Dämpfung im Bereich des Endanschlags vorgesehen.
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Eine besonders vorteilhafte Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 ist in der 2 dargestellt, welche den Bereich „A“ aus 1 im Schnitt zeigt.
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Die Zahnstangenlenkung 10 umfasst gemäß 2 die Zahnstange 20, welche eine Längsachse X aufweist, das Zahnstangengehäuse 30, in dem die Zahnstange 20 zwischen zwei Endanschlägen axial verschieblich geführt ist, sowie wenigstens eine im Zahnstangengehäuse 30 aufgenommene Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32, welche in axialer Richtung am Zahnstangengehäuse 30 fixiert ist.
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Um bei einer Torsionsbelastung durch die Zahnstange 20 eine übermäßige Torsionsbeanspruchung und einen damit einhergehenden, hohen Verschleiß der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 zu vermeiden, ist diese in Umfangsrichtung drehbar im Zahnstangengehäuse 30 gelagert.
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Die 3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 mit einem Anschlagring 34, einem Befestigungsring 36 zur Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 im Zahnstangengehäuse 30 sowie einem axial zwischen dem Anschlagring 34 und dem Befestigungsring 36 angeordneten Kompressionskörper 38.
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Der Befestigungsring 36 ist dabei ein Kunststoffring, der mit dem Zahnstangengehäuse 30 eine Rastverbindung ausbildet. Hierzu sind an einer radialen Außenseite 40 des Befestigungsrings 36 über den Ringumfang verteilte Rastsegmente 42 vorgesehen, die radial nach außen vorstehen.
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Das Zahnstangengehäuse 30 hat gemäß 2 eine zylindrische Öffnung 44 zur Aufnahme der Zahnstange 20, wobei in der Öffnung 44 eine umlaufende Nut 46 ausgebildet ist, in welche die Rastsegmente 42 des Befestigungsrings 36 eingreifen.
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Die 4 zeigt das Zahnstangengehäuse 30 der Zahnstangenlenkung 10 sowie die im Zahnstangengehäuse 30 zu montierende, zusammengesetzte Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 gemäß 3. In der zylindrischen Öffnung 44 des Zahnstangengehäuses 30 ist die umlaufende Nut 46 angedeutet, in welche die radial nach außen vorstehenden Rastsegmente 42 des Befestigungsrings 36 zur Befestigung der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 eingreifen können.
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Damit sich der Befestigungsring 36 bei der Montage der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 gemäß 4 axial in die zylindrische Öffnung 44 des Zahnstangengehäuses 30 einführen lässt, muss er zumindest im Bereich der Rastsegmente 42 eine gewisse elastische Verformbarkeit in radialer Richtung aufweisen.
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Hierzu weist der Befestigungsring 36, wie in 3 dargestellt, segmentförmige Ausnehmungen 48 auf, die radial einwärts der Rastsegmente 42 angeordnet sind. Insbesondere kann dabei jedem Rastsegment 42 genau eine segmentförmige Ausnehmung 48 zugeordnet sein. Die Ausnehmungen 48 ermöglichen eine elastische Verformung des Befestigungsrings 36 im Bereich der Rastsegmente 42 radial nach innen, sodass die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 in die zylindrische Öffnung 44 eingeschoben werden kann.
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Eine zur Montage der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 aufzubringende Einschubkraft lässt sich dabei über die Größe und Geometrie der Ausnehmungen 48 einstellen. Erreicht die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 ihre Montagestellung im Zahnstangengehäuse 30, so schnappen die radial nach innen vorgespannten Rastsegmente 42 des Befestigungsrings 36 radial nach außen und greifen in die Nut 46 der zylindrischen Öffnung 44 des Zahnstangengehäuses 30 ein. Folglich ist die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 auf einfache Art und Weise in axialer Richtung am Zahnstangengehäuse 30 fixiert. In Umfangsrichtung ist die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 hingegen drehbar im Zahnstangengehäuse 30 gelagert, da die Nut 46 in Umfangsrichtung umläuft.
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Bei einer Torsionsbeanspruchung durch die Zahnstange 20 kann sich die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 relativ zum Zahnstangengehäuse 30 verdrehen, wodurch sich insbesondere die Torsionsbeanspruchung des Kompressionskörpers 38 und dessen damit einhergehender Verschleiß erheblich reduziert.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32, bei welcher der Kompressionskörper 38 aus einem Elastomer hergestellt und mit dem Befestigungsring 36 verrastet ist, wobei am Kompressionskörper 38 wenigstens ein flexibler Rastabschnitt 50 angeformt ist. Der Rastabschnitt 50 ist gemäß 5 als umlaufende Rastnase an der dem Befestigungsring 36 zugewandten Stirnseite des Kompressionskörpers 38 ausgebildet und greift in eine umlaufende Nut 52 des Befestigungsrings 36 ein. Abhängig von der Reibung zwischen dem Befestigungsring 36 und dem Zahnstangengehäuse 30 bzw. dem Befestigungsring 36 und dem Kompressionskörper 38 ist in dieser Ausführungsform der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 bei einer Torsionsbelastung durch die Zahnstange 20 unter Umständen auch eine Relativdrehung zwischen dem Befestigungsring 36 und dem Kompressionskörper 38 möglich.
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Demgegenüber zeigt die 6 die Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 gemäß einer alternativen Ausführungsform, bei welcher der Kompressionskörper 38 aus einem Elastomer hergestellt und unmittelbar an den Befestigungsring 36 anvulkanisiert oder mit dem Befestigungsring 36 verklebt ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Fertigungsaufwand für den Befestigungsring 36 und den Kompressionskörper 38 im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 5 deutlich geringer ist. Allerdings ist im Gegensatz zur Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 gemäß 5 auch keine Relativdrehung zwischen dem Befestigungsring 36 und dem Kompressionskörper 38 möglich.
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Der Anschlagring 34 der Endanschlag-Dämpfungsbaugruppe 32 kommt in einer axialen Endanschlagstellung der Zahnstangenlenkung 10 gemäß 2 stirnseitig mit der Zahnstange 20 oder einem fest mit der Zahnstange 20 verbundenen Bauteil 54 in Kontakt und ist insbesondere zur Lastverteilung und zum Schutz des Kompressionskörpers 38 vorgesehen. Der Anschlagring 34 ist daher vorzugsweise ein stabiler Metallring, insbesondere ein Stahlring.
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Wie bereits oben erwähnt ist der Kompressionskörper 38 aus einem Elastomer hergestellt und gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen unmittelbar an den Anschlagring 34 anvulkanisiert. Dies bietet den Vorteil, dass die Herstellung des Kompressionskörpers 38 und die Befestigung des Kompressionskörpers 38 am Anschlagring 34 in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen können.
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Ferner ist der Kompressionskörper 38 ringförmig ausgebildet und genau wie der Anschlagring 34 und der Befestigungsring 36 konzentrisch zur Längsachse X angeordnet (siehe 2). Ein Innendurchmesser r36 des Befestigungsrings 36 ist dabei kleiner als ein Innendurchmesser r34 des Anschlagrings 34 und auch kleiner als ein Innendurchmesser r38 des ringförmigen Kompressionskörpers 38. Dadurch weist der Befestigungsring 36 den geringsten radialen Abstand zur Zahnstange 20 auf und ist vorzugsweise als Hilfsabstützung ausgebildet, die eine Biegung der Zahnstange 20 begrenzt. Es ist hervorzuheben, dass der als Hilfsabstützung ausgeführte Befestigungsring 36 bei unbelasteter Zahnstange 20 nicht an der Zahnstange 20 anliegt, sondern umlaufend ein Spiel von mindestens 0,2 mm aufweist. Durch diesen umlaufenden, radialen Spalt ist die Hilfsabstützung keine zusätzliche permanente Lagerung oder Führung, sodass die Zahnstange 20 weiter statisch bestimmt gelagert ist. Für den Fall, dass eine Durchbiegung der Zahnstange 20 im Bereich der Hilfsabstützung dieses Spaltmaß überschreitet, kommt die Zahnstange 20 in Anlage mit der Hilfsabstützung, welche dann ein weiteres Durchbiegen der Zahnstange 20 weitgehend verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009019890 A1 [0002]
