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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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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 und
DE 199 11 891 A1 solche Kugelumlauflenkungen. Auch aus der
US 4 565 115 A ist eine Lenkung bekannt, die eine hydraulische Lenkunterstützung nutzt.
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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 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.
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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.
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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 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.
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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.
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Alternativ zur kreisförmigen Ausführung der Rahmendichtung sind auch andere Formen denkbar, beispielsweise kann die Rahmendichtung rechteckig oder oval ausgeführt sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Druckmittelkanäle können innerhalb des Lenkkolbens und/oder im Lenkgehäuse angeordnet sein.
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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.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese stellen lediglich Prinzipdarstellungen dar 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 dar. 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.
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Eine erfindungsgemäße Kugelumlauflenkung 20 ist in stark vereinfachter Darstellung in 1 im Querschnitt gezeigt. Neben vielen 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 39verbunden. 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 radial gegenüberliegenden Seite gegen eine Lenkgehäuseinnenwand 38 gedrückt, wodurch der ungewollte Stick-Slip-Effekt und der damit verbundene erhöhte Verschleiß entsteht.
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Die 2 und 3 verdeutlichen die Erfindung. 2 zeigt den Lenkkolben 24 und einen Bereich des Lenkgehäuses 22 im Querschnitt. Erkennbar ist insbesondere ein innenliegender Hohlraum 56 mit einer Kugelumlaufbahn 42. Weiterhin sind Druckmittelkanäle 44 gezeigt, die jeweils sowohl in die Arbeitsräume 34, 36, als auch in einen Druckmittelraum 46 münden. Der Druckmittelraum 46 ist durch die Lenkgehäuseinnenwand 38, eine Lenkkolbenaußenwand 48 sowie eine Rahmendichtung 50 begrenzt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Rahmendichtung 50 in einer Nut 52 angeordnet, die in die Lenkkolbenaußenwand 48 eingelassen ist. Alternativ kann die Rahmendichtung 50 aber auch in einer Nut 52 angeordnet sein, die sich in der Lenkgehäuseinnenwand 38 befindet.
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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 Lenkgehäuseinnenwand 38 abgerückt wird.
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Um einen unkontrollierten Rückfluss des Druckmittels in die Arbeitskammern 34, 36 zu verhindern, sind in dem Druckmittelkanal 44 Rückschlagventile 54 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß sollte der Druckmittelraum 46 auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Verzahnungsbereichs 26 angeordnet sein, damit die sich durch das Druckpolster aufbauende Kraft in Richtung des Verzahnungsbereichs wirkt.
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3 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Anordnung der Rahmendichtung 50 auf der Lenkkolbenaußenwand 24. Erkennbar ist, dass die Rahmendichtung 50 eine ovale Grundfläche auf der Lenkkolbenaußenwand 24 umschließt. Anstelle einer solchen ovalen Grundform sind aber auch andere insbesondere rechteckige oder kreisförmige Grundformen denkbar.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, dieses dient lediglich der Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung.
