DE102014106493A1 - Kugelumlauflenkung mit Hydraulikpolster - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kugelumlauflenkung (20) mit einem Lenkgehäuse (22), in dem ein Lenkkolben (24) zwischen einer ersten Arbeitskammer (34) und einer zweiten Arbeitskammer (36) gelagert ist, wobei der Lenkkolben (24) einen Verzahnungsbereich (26) an seiner Lenkkolbenaußenwand (48) aufweist, in den Zähne (28) einer Segmentwelle (30) eingreifen, der Lenkkolben (24) entlang einer Längsachse X-X verschiebbar ist, und die Arbeitskammern 34, 36 zur Lenkunterstützung über Druckmittelleitungen mit einem Steuerventil verbunden sind. Auf einer verzahnungsabgewandten Seite des Lenkkolbens (24) ist eine Rahmendichtung (50) vorgesehen, die einen Druckmittelraum (46) zwischen einer Lenkgehäuseinnenwand (38) und einer Lenkkolbenaußenwand (48) ausbildet, in denen jeweils über zumindest einen Druckmittelkanal (44) Druckmittel aus der jeweils druckbeaufschlagten Arbeitskammer (34, 36) einleitbar ist.
Description
- 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.,
- 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.
- Derartige Lenkgetriebe sind seit langem bekannt und in vielfachen Ausführungen erhältlich. Beispielsweise beschreiben die Dokumente
DE 100 58 275 A1 ,DE 34 14 891 A1 undDE 199 11 891 A1 solche Kugelumlauflenkungen. - 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.
- 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.
- 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 eine Rahmendichtung vorgesehen ist, die einen Druckmittelraum zwischen einer Lenkgehäuseinnenwand und einer Lenkkolbenaußenwand ausbildet, in denen jeweils über zumindest einen Druckmittelkanal Druckmittel aus der jeweils druckbeaufschlagten Arbeitskammer einleitbar ist.
- Die Erfindung bewirkt, dass sich zwischen der Lenkgehäuseinnenwand und der Lenkkolbenaußenwand ein Druckmittelpolster ausbildet. Hierdurch wird die Unstetigkeit im Lenkgefühl kompensiert, welche ansonsten beim Übergang des Kolbens von der Haftreibung in die Gleitreibung auftritt.
- 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.
- 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.
- Die erfindungsgemäß vorgesehen Druckmittelkanäle übertragen den Druck der druckbeaufschlagten Arbeitskammer über das Druckmittel, vorzugsweise Hydrauliköl, an die verzahnungsabgewandte Seite des Lenkkolbens. Das dadurch entstehende hydraulische Druckpolster wirkt einem Festkleben bzw. Anhaften des Lenkkolbens wirksam entgegen.
- Vorteilhafterweise kann die Rahmendichtung als umlaufende Dichtung ausgeführt sein, die je nach Anwendungsfall eine beliebige Grundform umschließt. In einer einfachsten Ausführungsvariante kann die Rahmendichtung durch eine Art kreisförmigen O-Ring gebildet sein, der in einer entsprechend ausgeformten Nut in der Lenkkolbenaußenwand angeordnet ist. Alternativ kann die Rahmendichtung auch in einer entsprechenden Nut in der Lenkgehäuseinnenwand gehalten sein.
- Alternativ zur kreisförmigen Ausführung der Rahmendichtung sind auch andere Formen denkbar, beispielsweise kann die Rahmendichtung rechteckig oder oval ausgeführt sein.
- Das Druckmittel gelangt erfindungsgemäß über einen oder mehrere Druckmittelkanäle von den beiden Arbeitskammern in den durch die Rahmendichtung begrenzten Druckmittelraum. Entsprechend münden die Druckmittelkanäle einerseits im Druckmittelraum, andererseits mit ihren entgegengesetzten Enden in die jeweiligen Arbeitskammern. Wird nun eine Arbeitskammer mit Druck beaufschlagt, gelangt das Druckmittel durch den Druckmittelkanal in den Druckmittelraum und drückt durch das sich ausbildende Hydraulikpolster den Lenkkolben von der Lenkgehäuseinnenwand weg in Richtung der Verzahnung. Der Stick-Slip-Effekt wird dadurch aufgehoben.
- Es hat sich gezeigt, dass die Separationskräfte mit steigendem Moment bzw. Druck ansteigen, jedoch durch den steigenden Druck auch das sich ausbildende Hydraulikpolster entsprechend stärker den Kräften entgegenwirkt.
- Der sich einstellende Druck in dem Druckmittelraum und auch die Richtungskomponente der Kraft kann erfindungsgemäß weiterhin durch eine angepasste Struktur auf der Lenkkolbenaußenwand und/oder der Lenkgehäuseinnenwand beeinflusst werden. Die Lenkgehäuseinnenwand bzw. die Lenkkolbenaußenwand können entsprechend Vertiefungen oder auch Hohlräume bzw. Taschen aufweisen, die das Druckmittel aufnehmen und somit den entstehenden Druck und dessen Richtungskomponenten beeinflussen können.
- Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den beiden Arbeitskammern sind erfindungsgemäß in den Druckmittelkanälen entsprechende Rückschlagventile angeordnet. Diese verhindern auch einen Rückfluss des Druckmittels zurück in die Arbeitskammern.
- Die Druckmittelkanäle können innerhalb des Lenkkolbens und/oder im Lenkgehäuse angeordnet sein.
- Wesentlich ist auch, dass eine Höhe der Rahmendichtung, die über die die Rahmendichtung haltende Nut vorsteht, derart ausgelegt ist, dass der auftretende Druck im Druckmittelraum nicht dazu führt, dass das Druckmittel zwischen der Rahmendichtung und der ihr gegenüberliegenden Wand, also je nach Ausführung entweder der Lenkgehäuseinnenwand oder der Lenkkolbenaußenwand, abfließen kann. Entsprechend muss auch die Elastizität der Rahmendichtung derart ausgelegt sein, dass sie auch bei einem Wegbewegen des Lenkkolbens von der Lenkgehäuseinnenwand keinen Spalt freigibt.
- 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:
-
1 : eine Prinzipdarstellung einer Kugelumlauflenkung, -
2 : ein Bereich des Lenkkolbens und des Lenkgehäuses im Querschnitt, -
3 : eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung des Lenkkolbens mit Rahmendichtung. - Eine erfindungsgemäße Kugelumlauflenkung
20 ist in stark vereinfachter Darstellung in1 im Querschnitt gezeigt. Neben vielreichen nicht gezeigten Bauteilen weist sie ein Lenkgehäuse22 auf, in dem ein Lenkkolben24 entlang einer Längsachse X-X bewegbar ist. - Der Lenkkolben
24 weist einen Verzahnungsbereich26 auf, in den Zähne28 einer Segmentwelle30 eingreifen. Eine Längsverschiebung des Lenkkolbens24 entlang der Längsachse X-X bewirkt ein Verdrehen der Segmentwelle30 , die gleichzeitig eine Abtriebswelle darstellt und den Lenkwinkel des Fahrzeugs verstellt. - Die Längsverschiebung des Lenkkolbens
24 durch den Fahrer wird über eine Antriebswelle32 bewirkt, die mit einem nicht dargestellten Lenkgeber, beispielsweise einem Lenkrad oder einem Joystick verbunden ist. Die Kugelumlauflenkung20 verstärkt die aus der Betätigung des Lenkgebers resultierende Drehbewegung der Antriebswelle32 . - Der Lenkkolben
24 unterteilt den Innenraum des Lenkgehäuses22 in eine erste Arbeitskammer34 und eine zweite Arbeitskammer36 . Die Arbeitskammern34 ,36 sind über Anschlüsse und Druckmittelleitungen37 mit einem Steuerventil39 verbunden. Über dieses Steuerventil wird ein Druckmittel, üblicherweise Hydrauliköl, in die Arbeitsräume34 ,36 gepumpt, um die Bewegung des Lenkkolbens24 zu unterstützen. - Im Inneren des Lenkkolbens
24 ist eine nicht gezeigte Lenkspindel angeordnet, die mit der Antriebswelle32 verbunden ist. Die Lenkspindel ist im Lenkgehäuse zwar drehbar, jedoch axial unverschiebbar gelagert. Die Lenkspindel weist einen Kugelumlauf auf, über den der Lenkkolben24 entlang der Längsachse X-X verschiebbar ist. - Wie bereits erläutert, entstehen beim Lenken Separationskräfte zwischen der Lenkwelle
30 und dem Lenkkolben24 im Bereich des Verzahnungsbereichs26 , welche diese beiden Komponenten auseinanderdrücken. Hierdurch wird der Lenkkolben24 auf der dem Verzahnungsbereich26 radial gegenüberliegenden Seite gegen eine Lenkgehäuseinnenwand38 gedrückt, wodurch der ungewollte Stick-Slip-Effekt und der damit verbundene erhöhte Verschleiß entsteht. - Die
2 und3 verdeutlichen die Erfindung.2 zeigt den Lenkkolben24 und einen Bereich des Lenkgehäuses22 im Querschnitt. Erkennbar ist insbesondere ein innenliegender Hohlraum56 mit einer Kugelumlaufbahn42 . Weiterhin sind Druckmittelkanäle44 gezeigt, die jeweils sowohl in die Arbeitsräume34 ,36 , als auch in einen Druckmittelraum46 münden. Der Druckmittelraum46 ist durch die Lenkgehäuseinnenwand38 , eine Lenkkolbenaußenwand48 sowie eine Rahmendichtung50 begrenzt. - Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Rahmendichtung
50 in einer Nut52 angeordnet, die in die Lenkkolbenaußenwand48 eingelassen ist. Alternativ kann die Rahmendichtung50 aber auch in einer Nut52 angeordnet sein, die sich in der Lenkgehäuseinnenwand38 befindet. - Wird der Druck in einer der Arbeitskammern
34 ,36 erhöht, gelangt das Druckmittel über den zugehörigen Druckmittelkanal44 in den Druckmittelraum46 und bewirkt, dass der Lenkkolben24 von der Lenkgehäuseinnenwand38 abgerückt wird. - Um einen unkontrollierten Rückfluss des Druckmittels in die Arbeitskammern
34 ,36 zu verhindern, sind in den Druckmittelkanal44 Rückschlagventile54 vorgesehen. - Erfindungsgemäß sollte der Druckmittelraum
46 auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Verzahnungsbereichs26 angeordnet sein, damit die sich durch das Druckpolster aufbauende Kraft in Richtung des Verzahnungsbereichs wirkt. -
3 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Anordnung der Rahmendichtung50 auf der Lenkkolbenaußenwand24 . Erkennbar ist, dass die Rahmendichtung50 eine ovale Grundfläche auf der Lenkkolbenaußenwand24 umschließt. Anstelle einer solchen ovalen Grundform sind aber auch andere insbesondere rechteckige oder kreisförmige Grundformen denkbar. - Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, dieses dient lediglich der Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10058275 A1 [0003]
- DE 3414891 A1 [0003]
- DE 19911891 A1 [0003]
Claims (12)
- Kugelumlauflenkung (
20 ) mit einem Lenkgehäuse (22 ), in dem ein Lenkkolben (24 ) zwischen einer ersten Arbeitskammer (34 ) und einer zweiten Arbeitskammer (36 ) gelagert ist, wobei – der Lenkkolben (24 ) einen Verzahnungsbereich (26 ) an seiner Lenkkolbenaußenwand (48 ) aufweist, in den Zähne (28 ) einer Segmentwelle (30 ) eingreifen, – der Lenkkolben (24 ) entlang einer Längsachse X-X verschiebbar ist, – die Arbeitskammern34 ,36 zur Lenkunterstützung über Druckmittelleitungen mit einem Steuerventil verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer verzahnungsabgewandten Seite des Lenkkolbens (24 ) eine Rahmendichtung (50 ) vorgesehen ist, die einen Druckmittelraum (46 ) zwischen einer Lenkgehäuseinnenwand (38 ) und einer Lenkkolbenaußenwand (48 ) ausbildet, in denen jeweils über zumindest einen Druckmittelkanal (44 ) Druckmittel aus der jeweils druckbeaufschlagten Arbeitskammer (34 ,36 ) einleitbar ist. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Druckmittelkanal (44 ) im Lenkkolben (24 ) angeordnet ist. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Druckmittelkanal (44 ) im Lenkgehäuse (22 ) angeordnet ist. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Lenkkolben (24 ) als auch im Lenkgehäuse (22 ) Druckkanäle (44 ) angeordnet sind. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Arbeitskammern (34 ,36 ) Rückschlagventile (54 ) in den Druckmittelkanälen (44 ) vorgesehen sind, die einen Rückfluss des Druckmittels zurück in eine der Arbeitskammern (34 ,36 ) verhindern. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lenkkolbenaußenwand (48 ) Strukturelemente zur Leitung und Aufnahme des Druckmittels vorgesehen sind. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lenkgehäuseinnenwand (38 ) Strukturelemente zur Leitung und Aufnahme des Druckmittels vorgesehen sind. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lenkgehäuseinnenwand (38 ) und der Lenkkolbenaußenwand (48 ) Strukturelemente zur Leitung und Aufnahme des Druckmittels vorgesehen sind. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmendichtung (50 ) derart ausgeführt ist, dass sie einen Druckmittelraum (46 ) mit ovaler Grundfläche umschließt. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmendichtung (50 ) derart ausgeführt ist, dass sie einen Druckmittelraum (46 ) mit rechteckiger Grundfläche umschließt. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmendichtung (50 ) in einer Nut (52 ) gehalten ist, die in die Lenkkolbenaußenwand (48 ) eingelassen ist. - Kugelumlauflenkung (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmendichtung (50 ) in einer Nut (52 ) gehalten ist, die in die Lenkgehäuseinnenwand (38 ) eingelassen ist.
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