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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelumlauflenkung mit einem Lenkgehäuse, in dem ein Lenkkolben zwischen einer ersten Arbeitskammer und einer zweiten Arbeitskammer gelagert ist, wobei
- – der Lenkkolben einen Verzahnungsbereich an seiner Lenkkolbenaußenwand aufweist, in den Zähne einer Segmentwelle eingreifen,
- – die Arbeitskammern zur Lenkunterstützung über Druckmittelleitungen mit einem Steuerventil verbunden sind,
- – der Lenkkolben entlang einer Längsachse axial verschiebbar ist.
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Kugelumlauflenkungen sind Teile des Lenkgetriebes, das die Drehbewegung eines Lenkrads je nach Bauart entweder direkt oder indirekt über Gestänge auf Spurstangen überträgt. Eine Kugelumlauflenkung ist eine Art Spindellenkung, bei der die Kraft zwischen Spindel und Mutter von Kugeln übertragen wird, die in den Gewindegängen umlaufen.
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Kugelumlauflenkungen werden u. a. in leichten und schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass bekannte Kugelumlauflenkungen einen ungewollten sogenannten Stick-Slip-Effekt aufweisen, welcher sich negativ auf das Lenkgefühl auswirkt. Der Fahrer hat das Gefühl, er muss zunächst einen Widerstand überwinden, bevor die Lenkbewegung gleichmäßig und mit konstantem Kraftaufwand möglich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll eine Kugelumlauflenkung geschaffen werden, die einen möglichst geringen Stick-Slip-Effekt aufweist. Das Lenkgefühl soll angenehm und gleichmäßig sein. Insbesondere soll die Kugelumlauflenkung trotzdem kostengünstig herstellbar sein.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kugelumlauflenkung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Diese ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass auf einer verzahnungsabgewandten Seite des Lenkkolbens zwischen einer Lenkgehäuseinnenwand und einer Lenkkolbenaußenwand zumindest ein Gleitelement angeordnet ist.
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Die beim Lenken entstehende Lenkkraft aus dem Fahrwerk wird über einen Lenkstockhebel und die Segmentwelle auf den Lenkkolben rückgekoppelt. Dieser Effekt ergibt sich daraus, dass zwischen dem Kolben und der Segmentwelle Separationskräfte entstehen, die aus der Verzahnung resultiert und die diese beiden Komponenten auseinanderdrücken. Der Lenkkolben wird auf seiner der Verzahnung gegenüberliegenden Seite gegen die Lenkgehäuseinnenwand gedrückt. Obwohl sich Druckmittel, üblicherweise Hydrauliköl, in der Lenkkolbenkammer befindet, kann dieses aufgrund der quasi statischen Bewegung nicht als Ölfilm zur Reibreduzierung wirken. Folglich entsteht eine große Reibung zwischen der Lenkgehäuseinnenwand und der Lenkkolbenaußenwand, was zum genannten Stick-Slip-Effekt, aber auch zum Verschleiß der Bauteile und damit zu einer weiteren Erhöhung der Reibung führen.
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Die Erfinderin hat erkannt, dass die Unstetigkeit im Lenkgefühl unter anderem auch dadurch hervorgerufen wird, dass der Systemdruck über das Entspannen eines T-Bars im Steuerventil unter das eigentlich in der aktuellen Lenksituation benötigte Kraftniveau gesenkt wird, um den Lenkkolben aus der Haftreibung zu bewegen. Dies führt dazu, dass der T-Bar für diese Lenksituation zu weit entspannt ist, wodurch sich eine Momentenerhöhung im Lenkgefühl ergibt, kurz nachdem der Lenkkolben in die Gleitreibung übergegangen ist, um den Systemdruck wieder anzuheben.
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Die Erfindung bewirkt, dass zwischen der Lenkgehäuseinnenwand und der Lenkkolbenaußenwand eine gleichmäßige Gleitfähigkeit des Lenkkolbens an der Lenkgehäuseinnenwand weitgehend unabhängig vom Ölfilm zwischen den Komponenten erreicht wird. Hierdurch wird die Unstetigkeit im Lenkgefühl kompensiert, welche ansonsten beim Übergang des Kolbens von der Haftreibung in die Gleitreibung auftritt.
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Im Folgenden wird die Erfindung exemplarisch unter der Annahme erläutert, dass das Gleitelement auf der Lenkkolbenaußenseite angeordnet ist. Grundsätzlich kann im Sinne der Erfindung das Gleitelement aber auch an der Lenkgehäuseinnenwand angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß können verschiedene Arten von Gleitelementen eingesetzt werden. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie die Gleitfähigkeit des Lenkkolbens innerhalb des Lenkgehäuses optimieren. Als Gleitelement kommt beispielsweise die Verwendung eines oder mehrerer Gleitsteine in Frage. Denkbar sind zwei oder mehr Gleitsteine, die entlang einer Längsachse des Lenkkolbens nebeneinander oder leicht versetzt zueinander angeordnet sind. Alternativ kann es ausreichen, nur einen Gleitstein zu verwenden, der Bezug auf die Längsachse des Lenkkolbens in etwa mittig angeordnet sein kann. Alternativ kann eine entlang der Längsachse verlaufende längliche Form vorgesehen sein, um dadurch eine bessere Abstützung von der Lenkgehäuseinnenwand zu bewirken. Schließlich ist auch die Verwendung von vier gleichmäßig auf der Lenkkolbenaußenfläche verteilten Gleitsteinen vorteilhaft, die zum Beispiel gemeinsam ein Rechteck aufspannen, wobei jeder Gleitstein jeweils eine Ecke eines Rechtecks ausbildet.
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Jeder Gleitstein hat eine Gleitfläche, die parallel zur Lenkkolbenaußenwand verlaufend zwischen der Lenkgehäuseinnenwand und der Lenkkolbenaußenwand angeordnet ist. Ist der Gleitstein beispielsweise in die Oberfläche des Lenkkolbens eingelassen, vorzugsweise in eine Gleitsteinaufnahme, steht die Gleitfläche gegenüber der Lenkkolbenaußenwand minimal vor, um damit einen sicheren Kontakt zur Lenkgehäuseinnenwand zu gewährleisten.
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Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von federbeaufschlagten Gleitsteinen besonders wirkungsvoll ist. Zu diesem Zweck ist ein Federelement auf einer Bodenfläche der Gleitsteinaufnahme angeordnet. Das Federelement drückt den Gleitstein im Querschnitt gesehen diametral nach außen und bewirkt so, dass sich der gesamte Lenkkolben an der Lenkgehäuseinnenwand abstützt bzw. mit ihr in Kontakt bleibt.
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Jeder Gleitstein kann auf seiner Außenseite einen oder mehrere Dichtungsringe, vorzugsweise O-Ringe aufweisen, die eine Innenwand der Gleitsteinaufnahme kontaktieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann anstelle des Federelements oder zusätzlich zu diesem eine hydraulische Beaufschlagung des Gleitsteins erfolgen. Zu diesem Zweck verbinden Druckmittelkanäle jede Gleitsteinaufnahme mit den Arbeitskammern, so dass ein Druckmittel, vorzugsweise Hydrauliköl, bodenflächenseitig in die Gleitsteinaufnahme geleitet werden kann. Dadurch wird der Gleitstein aus der Gleitsteinaufnahme heraus in Richtung der gegenüberliegenden Lenkgehäuseinnenwand bewegt. Das Hydrauliköl wirkt darüber hinaus weiterhin als Druckpolster.
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Bei der Verwendung mehrerer Gleitsteine können die beiden Gleitsteinaufnahmen über Druckmittelkanäle miteinander verbunden sein, um dadurch eine möglichst gleichmäßige Druckbeaufschlagung zu erreichen. Alternativ ist es aber auch möglich, dass jede einzelne Gleitsteinaufnahme über einen unabhängigen Druckmittelkanal mit den Arbeitskammern verbunden ist.
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Innerhalb der Druckmittelkanäle sind Rückschlagventile vorgesehen, die ein Ausströmen des Druckmittels bzw. Hydrauliköls in die jeweils andere Arbeitskammer verhindern.
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Erfindungsgemäß kann ein Gleitelement auch durch eine Beschichtung bzw. ein Beschichtungselement gebildet sein. Eine solche Beschichtung ist aus einem Material mit einem geringen Reibkoeffizienten gebildet. Hierzu kommen Kunststoffe sowie beispielsweise Polytetrafluorethen (PTFE, Teflon®) in Frage. Die Beschichtung ist vorzugsweise in eine Vertiefung eingelassen und steht gegenüber der Lenkkolbenaußenwand minimal vor, um mit der Lenkgehäuseinnenwand permanent in Kontakt zu stehen.
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Die Beschichtung kann dabei unmittelbar auf den Lenkkolben aufgebracht sein, es können aber auch Zwischenelemente verwendet werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass ein Beschichtungselement sehr wirksam funktioniert, bei welchem ein Federelement mit einer Metallschicht verbunden ist, auf die dann wiederum eine gleitoptimierte Oberfläche, beispielsweise aus PTFE aufgebracht ist. Das Federelement ist also zwischen der Metallschicht und der Lenkkolbenaußenwand bzw. auf einer Bodenfläche einer Vertiefung angeordnet. Das Federelement bewirkt, dass die gleitoptimierende Fläche des Gleitelements an die gegenüberliegende gedrückt wird.
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Die Beschichtung kann als austauschbares, vom Lenkkolben lösbares Gleitelement ausgeführt sein, denkbar ist aber auch eine Ausführung, bei der die Beschichtung integraler Bestandteil des Lenkkolbens oder des Lenkgehäuses ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist das Gleitelement durch ein Kugellager oder Rollenlager ausgebildet, dass den Slip-Stick-Effekt ebenfalls wirksam reduziert. Ein solches Kugel- oder Rollenlager ist vorzugsweise ebenfalls in eine Vertiefung eingelassen.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist das Gleitelement durch Oberflächenstrukturelemente ausgebildet, die das im System befindliche Hydrauliköl in den der Verzahnung gegenüberliegenden kritischen Bereich fördert und dort hält.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese stellen lediglich Prinzipdarstellungen da und sind nur beispielhaft zu verstehen. Keinesfalls soll die Erfindung auf die gezeigten Figuren beschränkt sein. Um die Erfindung besser verdeutlichen zu können, stellen die Figuren die Bauteile nicht maßstabsgetreu da. Es zeigen:
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1: eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Kugelumlauflenkung,
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2: einen Lenkkolben gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung, mit Gleitsteinen als Gleitelemente und Federelementen,
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3: einen Lenkkolben mit Gleitsteinen als Gleitelement und Druckmittelleitungen,
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4: einen Lenkkolben gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung, mit einer Beschichtung als Gleitelement,
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5: einen Lenkkolben mit weiteren Beschichtungsarten als Gleitelement.
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Eine erfindungsgemäße Kugelumlauflenkung 20 ist in stark vereinfachter Darstellung in 1 im Querschnitt gezeigt. Neben vielreichen nicht gezeigten Bauteilen weist sie ein Lenkgehäuse 22 auf, in dem ein Lenkkolben 24 entlang einer Längsachse X-X bewegbar ist.
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Der Lenkkolben 24 weist einen Verzahnungsbereich 26 auf, in den Zähne 28 einer Segmentwelle 30 eingreifen. Eine Längsverschiebung des Lenkkolbens 24 entlang der Längsachse X-X bewirkt ein Verdrehen der Segmentwelle 30, die gleichzeitig eine Abtriebswelle darstellt und den Lenkwinkel des Fahrzeugs verstellt.
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Die Längsverschiebung des Lenkkolbens 24 durch den Fahrer wird über eine Antriebswelle 32 bewirkt, die mit einem nicht dargestellten Lenkgeber, beispielsweise einem Lenkrad oder einem Joystick verbunden ist. Die Kugelumlauflenkung 20 verstärkt die aus der Betätigung des Lenkgebers resultierende Drehbewegung der Antriebswelle 32.
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Der Lenkkolben 24 unterteilt den Innenraum des Lenkgehäuses 22 in eine erste Arbeitskammer 34 und eine zweite Arbeitskammer 36. Die Arbeitskammern 34, 36 sind über Anschlüsse und Druckmittelleitungen 37 mit einem Steuerventil 39 verbunden. Über dieses Steuerventil wird ein Druckmittel, üblicherweise Hydrauliköl, in die Arbeitsräume 34, 36 gepumpt, um die Bewegung des Lenkkolbens 24 zu unterstützen.
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Im Inneren des Lenkkolbens 24 ist eine nicht gezeigte Lenkspindel angeordnet, die mit der Antriebswelle 32 verbunden ist. Die Lenkspindel ist im Lenkgehäuse zwar drehbar, jedoch axial unverschiebbar gelagert. Die Lenkspindel weist einen Kugelumlauf auf, über den der Lenkkolben 24 entlang der Längsachse X-X verschiebbar ist.
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Wie bereits erläutert, entstehen beim Lenken Separationskräfte zwischen der Lenkwelle 30 und dem Lenkkolben 24 im Bereich des Verzahnungsbereichs 26, welche diese beiden Komponenten auseinanderdrücken. Hierdurch wird der Lenkkolben 24 auf der dem Verzahnungsbereich 26 gegenüberliegenden Seite 45 gegen eine Lenkgehäuseinnenwand 38 gedrückt, wodurch der ungewollte Stick-Slip-Effekt und der damit verbundene erhöhte Verschleiß entsteht.
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Die 2 bis 5 verdeutlichen die Erfindung. 2 zeigt den Lenkkolben 24 im Querschnitt. Erkennbar ist insbesondere ein innenliegender Hohlraum 38 mit einer Kugelumlaufbahn 40. Als Gleitelemente 42 sind zwei Gleitsteine 44 erkennbar, die jeweils in einer Gleitsteinaufnahme 46 angeordnet sind. Die Gleitsteine 44 befinden sich etwa diametral gegenüber des Verzahnungsbereichs 26 des Lenkkolbens 24.
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2 zeigt exemplarisch zwei verschiedene Ausführungsvarianten von Gleitsteinanordnungen. Bei der in 2 links angeordneten Gleitsteinanordnung weist der Gleitstein 44 aus seiner Außenseite Dichtungsringe 48 auf, die eine Innenwand 50 der Gleitsteinaufnahme 46 kontaktieren. Weiterhin weist der Gleitstein 44 einen inneren Gleitsteinhohlraum 52 auf, in dem ein Federelement 54 angeordnet ist, das sich auf einer Bodenfläche 56 der Gleitsteinaufnahme 46 abstützt. Der innere Gleitsteinhohlraum 52 ist ausschließlich zur Bodenfläche 56 hin geöffnet.
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Bei der in 2 rechts angeordneten Gleitsteinanordnung ist als Federelement 54 eine Tellerfeder angedeutet, die zwischen der Bodenfläche 56 und dem Gleitstein 44 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich zum Federelement 54 kann ein Dichtungsring 48 zwischen der Bodenfläche 56 und dem Gleitstein 44 angeordnet sein, der aufgrund seiner elastischen Eigenschaften geeignet ist, den Gleitstein 44 in Richtung der Lenkgehäuseinnenwand federzubelasten.
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3 zeigt einen ähnlichen Aufbau der Kugelumlauflenkung 20. Der wesentliche Unterschied zu der Ausführungsvarianten gemäß 2 besteht darin, dass die Gleitsteinaufnahme 46 über Druckmittelkanäle 58 mit den nicht gezeigten Arbeitskammern 34, 36 verbunden sind. Der Druckmittelkanal 58 mündet in die Bodenflächen 56 der Gleitsteinaufnahme 46 und beaufschlagt somit jeweils die Gleitsteine 44 mit Druck, der in Richtung der gegenüberliegenden Lenkgehäuseinnenwand gerichtet ist. Um einen unkontrollierten Austritt des Druckmittels, vorzugsweise Hydrauliköl, zu verhindern, sind auf der Außenseite der Gleitsteine 44 Dichtungsringe 48 vorgesehen. Weiterhin sind Rückschlagventile 60 im Druckmittelkanal 58 vorgesehen, die einen ungewollten Rückfluss des Druckmittels in die Arbeitskammern 34, 36 verhindern. Wird der Druck in einer der Arbeitskammern 34, 36 erhöht, gelangt das Druckmittel über den zugehörigen Druckmittelkanal 44 in den Druckmittelraum 46 und bewirkt, dass der Lenkkolben 24 von der Bodenfläche 56 abgerückt wird.
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4 verdeutlicht, dass als Gleitelement 42 auch ein Beschichtungselement bzw. eine Beschichtung 62 auf einer Lenkkolbenaußenseite 64 vorgesehen sein kann. Eine solche Beschichtung 62 kann durch verschiedene geeignete Maßnahmen mit dem Lenkkolben 24 verbunden sein, beispielsweise durch Kleben oder Schweißen. Denkbar ist auch die Verwendung einer Folie, die auf die Lenkkolbenaußenseite 64 aufgeklebt wird. Wesentlich ist, dass die Beschichtung 62 einen geringen Reibkoeffizienten aufweist und somit den ungewünschten Stick-Slip-Effekt reduziert.
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5 zeigt in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung die Verwendung weiterer verschiedener Gleitelemente 42. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese in einer Vertiefung 66 in der Längskolbenaußenseite 64 eingebracht.
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Als mögliche Ausführungsbeispiele für geeignete Gleitelemente 42 ist in 5 rechts ein Kugellager 68 gezeigt, dass auch als Rollenlager ausgeführt sein kann. Links daneben ist ein Gleitelement 42 gezeigt, das dreiteilig aufgebaut ist. Eine Beschichtung 62 mit geringem Reibkoeffizienten, beispielsweise Polytetrafluorethen (PTFE) ist auf einer Metallschicht 70 angeordnet. Zwischen der Metallschicht 70 und der Bodenfläche 56 der Vertiefung 66 ist ein Federelement 54 angeordnet.
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Die beiden Ausführungsvarianten auf der linken Seite in 5 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen einer Beschichtung 62. Die ganz links angeordnete Beschichtung 62 ist mehrschichtig aufgebaut, wodurch sich verschiedene pysikalische und elastische Eigenschaften erreichen lassen. Die rechts daneben angeordnete Beschichtung 62 ist dagegen aus nur einem einzigen Material, also einschichtig aufgebaut. Bei dieser Ausführungsvariante besteht also die gesamte Beschichtung 62 aus dem Material mit geringem Reibkoeffizienten, bei der ganz linken Variante muss es nur die außen liegende Schicht sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, diese dienen lediglich der Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung. Beispielsweise kann erfindungsgemäß als Gleitelement auch zumindest ein Strukturelement zur Leitung und Aufnahme des Druckmittels vorgesehen sein, dass in die Lenkkolbenaußenseite beispielsweise durch Außenrundhohnen, Laserhohnen oder Glasperlenstrahle eingebracht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10058275 A1 [0003]
- DE 3414891 A1 [0003]
- DE 19911891 A1 [0003]
