DE102017203480A1

DE102017203480A1 - Lenksystem

Info

Publication number: DE102017203480A1
Application number: DE102017203480.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Beck; Stephanus Sebastiaan Bester; Karl Heinz Urban; Christian Held
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-09-06
Also published as: WO2018158049A1

Abstract

Ein Lenksystem mit einer (längsaxial) verschiebbar in einem Gehäuse (1) gelagerten und eine Verzahnung ausbildenden Lenkstange (2), mit einem drehbar in dem Gehäuse (1) gelagerten und mit der Lenkstange (2) kämmenden Lenkritzel (4) und mit einer Druckstückeinheit (8), mittels der die Lenkstange (2) an das Lenkritzel (4) andrückbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstückeinheit (8) ein Druckstück und ein (erstes) Federelement (10) umfasst, wobei das Druckstück, beaufschlagt durch das (erste) Federelement (10), in Längsrichtung entlang der Lenkstange (2) verschiebbar in dem Gehäuse (1) gelagert ist, wobei die Führung für das Druckstück (11) derart ausgebildet ist, dass ein durch das (erste) Federelement (10) bewirktes Verschieben zu einer Annäherung des Druckstücks (11) an die Längsachse (3) der Lenkstange (2) führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer verschiebbar in einem Gehäuse gelagerten und eine Verzahnung ausbildenden Lenkstange, mit einem drehbar in dem Gehäuse gelagerten, mit der Lenkstange kämmenden Lenkritzel und mit einer Druckstückeinheit, mittels der die Zahnstange an das Lenkritzel andrückbar ist.
Die Druckstückeinheit eines solchen Lenksystem dient einem Ausgleich von Spiel in dem Eingriff der von der Lenkstange einerseits und von dem Lenkritzel andererseits ausgebildeten Verzahnungen, wobei ein solches Spiel nicht nur durch Fertigungstoleranzen der Bauteilabmessungen sondern auch durch betriebsbedingten Verschleiß entsteht.
Ein Lenksystem der o.g. Art ist beispielsweise aus der DE 2 336 572 C2 bekannt. Die darin als „Lagerjoch“ bezeichnete Druckstückeinheit ist als einstückiges Element dargestellt, das eine halbzylindrische Vertiefung zur Aufnahme der Zahnstange ausbildet.
Selbst unter der Annahme einer Ausbildung des Lagerjochs bei dem Lenkgetriebe gemäß der DE 2 336 572 C2 aus einem hochelastischen Werkstoff, wie beispielsweise einem Elastomer, wäre dessen Funktion nur unzureichend. Dies liegt primär an dem nicht unerheblichen Verschleiß, dem ein solches Lenkgetriebe während der Nutzungsdauer unterliegt. Würde das Lagerjoch (aus hochelastischem Werkstoff) mit so großer Vorspannung montiert, dass dieses auch zum Ende der Nutzungsdauer und dem entsprechenden Verschleiß noch ausreichende Druckkräfte auf die Zahnstange ausübt, um ein ausreichend geringes Spiel in dem Verzahnungseingriff zu gewährleisten, wären zu Beginn der Nutzungsdauer die Druckkräfte so groß, dass die entsprechend große Reibung in dem Verzahnungseingriff und damit das an dem Lenkritzel aufzubringende Betätigungsmoment unerwünscht hoch wären. Diese Auslegungsproblematik hinsichtlich einer für das Lagerjoch vorzusehenden Vorspannung wird noch dadurch erschwert, dass mit diesem auch die Form- und Lagetoleranzen der Bauteile kompensiert werden müssen.
Eine in dieser Hinsicht verbesserte Druckstückeinheit ist aus der DE 10 2010 029 603 A1 bekannt. Diese umfasst ein Basisteil, das zur Fixierung in einer Aufnahme eines Gehäuses eines Lenkgetriebes vorgesehen ist, und ein Druckstück, das eine Zahnstange des Lenkgetriebes beaufschlagen soll, wobei zwischen diesen Komponenten eine vorgespannte Druckfeder abgestützt ist. Die Rückstellkraft der Druckfeder bewirkt somit die elastische Beaufschlagung der Zahnstange durch das Druckstück und damit des Lenkritzels durch die Zahnstange. Um toleranzbedingtes Spiel nach der Montage der Druckstückeinheit in dem Lenkgetriebe auszugleichen ist das Basisteil mit ringförmigen Schrägflächen ausgebildet, die mit komplementären ringförmigen Schrägflächen einer Stellscheibe zusammenwirken, wobei diese mittels einer auf Torsion vorgespannten Drehfeder zueinander verdrehbar sind, um die Stellscheibe von dem Basisteil weg zu beaufschlagen. Dies erfolgt nach der Montage der Druckstückeinheit nach dem Lösen eines Aktivierungsstifts, der bis dahin nicht nur das Verdrehen der Stellscheibe gegenüber dem Basisteil verhindert, sondern auch die komplette Druckstückeinheit unter relativ großer Vorspannung der Druckfeder zusammenhält. Die Druckstückeinheit muss daher nicht im Rahmen der Montage komprimiert werden. Für die Montage der Druckstückeinheit wird diese in eine Aufnahmeöffnung des Gehäuses des Lenkgetriebes eingesetzt, durch das Anbringen eines als Anschlag für das Basisteil dienenden Sprengrings gesichert und nach dem Lösen des Aktivierungsstifts die Aufnahmeöffnung mittels eines Deckels verschlossen. Die aus der DE 10 2010 029 603 A1 bekannte Druckstückeinheit ist in konstruktiver und montagetechnischer Hinsicht relativ aufwändig.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Lenkgetriebe mit einer in konstruktiver und/oder montagetechnischer Hinsicht vorteilhaften Druckstückeinheit anzugeben.
Diese Aufgabe wird mittels eines Lenksystems gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungformen eines solchen Lenksystems sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Ein Lenksystem mit einer (längsaxial) verschiebbar in einem Gehäuse gelagerten und eine Verzahnung ausbildenden Lenkstange, mit einem drehbar in dem Gehäuse gelagerten und mit der Lenkstange kämmenden Lenkritzel und mit einer (innerhalb des Gehäuses gelagerten) Druckstückeinheit, mittels der die Lenkstange an das Lenkritzel andrückbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstückeinheit ein (ein- oder mehrteiliges) Druckstück und ein (erstes) Federelement umfasst, wobei das Druckstück, beaufschlagt durch das (erste) Federelement, in Längsrichtung entlang der Lenkstange verschiebbar in dem Gehäuse gelagert ist, wobei die Führung für das Druckstück derart ausgebildet ist, dass ein durch das (erste) Federelement bewirktes Verschieben zu einer Annäherung des Druckstücks an die Längsachse der Lenkstange führt.
Durch die Druckstückeinheit eines solchen Lenksystems können mehrere Vorteile erzielt werden, wobei gleichzeitig die Druckstückeinheit in konstruktiver und/oder montagetechnischer Hinsicht relativ einfach ausgebildet ist.
Ein erster Vorteil der Druckstückeinheit eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes liegt darin, dass durch die Beaufschlagung des Druckstücks mittels des (ersten) Federelements entlang der Längsachse der Lenkstange erreicht werden kann, dass sich die größte Abmessung der Druckstückeinheit entlang der Längsachse der Lenkstange erstrecken kann, wodurch eine besonders vorteilhafte Integration der Druckstückeinheit in das Gehäuse und damit ein relativ kompaktes Gehäuse realisiert werden kann. Dazu kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass das (erste) Federelement eine Schraubenfeder ist oder eine solche zumindest umfasst. Die Längsachse dieser Schraubenfeder kann dabei vorzugsweise parallel oder in einem relativ kleinen Winkel, beispielsweise in einem Winkel < 45°, bezüglich der Längsachse der Lenkstange ausgerichtet sein.
Eine in konstruktiver Hinsicht relativ einfache Ausgestaltung der Führung für das Druckstück kann realisiert werden, indem diese eine schräg bezüglich der Längsachse der Lenkstange ausgerichtete Führungsfläche des Gehäuses umfasst. An dieser Führungsfläche kann eine Führungsfläche der Druckstückeinheit gleitend gelagert sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lenksystems ist eine Ausgestaltung des Druckstücks, der Führung für das Druckstück und der Lenkstange derart vorgesehen, dass sich eine Selbsthemmung der Position des Druckstücks einstellt, so dass die Verschiebeposition des Druckstücks (relativ zu der Führung) von einer Relativbewegung der Lenkstange zu dem Druckstück zumindest in einem Abschnitt dieser Relativbewegung unbeeinflusst ist. Dadurch soll erreicht werden, dass eine Verschiebung des Druckstücks, nach der Montage des Lenksystems, im Wesentlichen ausschließlich aufgrund einer verschleißbedingten Nachstellung und nicht während des Betriebs infolge der für ein Lenken vorgesehenen Verschiebung der Lenkstange in dem Gehäuse (und damit relativ zu dem Druckstück) erfolgt.
Infolge der (auch und insbesondere primär) entlang der Längsachse der Lenkstange gerichteten Beaufschlagung des Druckstücks mittels des (ersten) Federelements kann es sich als schwierig oder aufwändig erweisen, mittels dieses Federelements ein Andrücken des Druckstücks an die Lenkstange und damit ein Andrücken der Lenkstange an das Lenkritzel mit ausreichend hoher Kraft zu realisieren. Daher kann es vorteilhaft sein, bei einem erfindungsgemäßen Lenksystem ein zweites Federelement vorzusehen, durch das das Druckstück gegen die Lenkstange beaufschlagt ist. Die Richtung der durch das zweite Federelement bewirkten Beaufschlagungskraft sollte dabei zumindest in einem größeren Winkel bezüglich der Längsachse der Lenkstange erfolgen, als dies durch die Beaufschlagung mittels des ersten Federelements im Zusammenwirken mit der Führung erreicht wird. Die Richtung der durch das zweite Federelement bewirkten Beaufschlagungskraft sollte vorzugsweise möglichst exakt radial, zumindest jedoch in einem Winkel von ≥ 45° und insbesondere von ≥ 75° bezüglich der Längsachse der Lenkstange ausgerichtet sein.
Durch diese bevorzugt vorgesehene kombinierte Beaufschlagung des Druckstücks mittels des ersten Federelements und des zweiten Federelements können weitere Vorteile realisiert werden. Insbesondere besteht dadurch die Möglichkeit, die Funktion des Spielausgleichs mit stets ausreichend hoher Anpresskraft durch die Beaufschlagung mittels des zweiten Federelements zu bewirken, während die Beaufschlagung mittels des ersten Federelements im Wesentlichen ausschließlich der toleranz- und verschleißbedingten Nachstellung dieser spielausgleichenden Beaufschlagung dient. Dadurch kann zum einen erreicht werden, dass die Beaufschlagung des Druckstücks durch das zweite Federelement und damit das Andrücken der Lenkstange an das Lenkritzel unabhängig von den Bauteiltoleranzen und dem Verschleißzustand des Lenksystems stets annähernd gleich gehalten werden kann. Zum anderen kann dadurch auf relativ einfache Weise eine Beaufschlagung des Druckstücks durch das zweite Federelement und damit ein Andrücken der Lenkstange an das Lenkritzel erreicht werden, die in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Stellung der Lenkstange innerhalb des Gehäuses (und damit relativ zu dem Druckstück) variabel ist.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass bei einer außermittigen Anordnung des Lenkritzels bezüglich der Lenkstange in deren Neutralstellung eine Ausgestaltung der Verzahnung der Lenkstange derart vorgesehen ist, dass die Beaufschlagung des Druckstücks gegen die Lenkstange durch das vorzugsweise eine progressive Federkennlinie aufweisende zweite Federelement relativ gering ist, wenn ein bezüglich des proximalen (d.h. näher gelegenen) Endes der Lenkstange relativ nah gelegener Abschnitt der Verzahnung mit dem Lenkritzel kämmt, und relativ hoch (im Vergleich zu der relativ geringen Beaufschlagung) ist, wenn ein bezüglich des proximalen Endes der Lenkstange relativ weit (im Vergleich zu dem relativ nah gelegenen Abschnitt) gelegener Abschnitt der Verzahnung der Lenkstange mit dem Lenkritzel kämmt. Dadurch kann eine vorteilhafte Anpassung der Höhe der das Verzahnungsspiel eliminierenden Anpresskraft erreicht werden, die dem Umstand Rechnung trägt, dass eine Anregung der Lenkstange in radial bezüglich ihrer Längsachse gelegenen Richtungen, die bei nicht oder nicht mit ausreichend hoher Andrückkraft eliminiertem Verzahnungsspiel zu einem unerwünschten Geräuschverhalten führen kann, in der Regel ihren Ausgang von den Enden der Lenkstange infolge der dortigen Anbindung an die Radlenkhebel hat. Eine solche Anregung der Lenkstange führt aufgrund des zunehmenden Hebels mit zunehmendem Abstand von dem proximal bezüglich des Lenkritzels gelegenen Ende der Lenkstange zu höheren dynamischen Lasten in der durch das Lenkritzel und die Druckstückeinheit bewirkten Radiallagerung der Lenkstange. Daraus folgt, dass tendenziell auch das durch die Druckstückeinheit bewirkte Andrücken der Lenkstange umso größer sein sollte, je weiter der sich aktuell zwischen dem Lenkritzel und der Druckstückeinheit befindliche Abschnitt der Lenkstange von diesem proximalen Ende der Lenkstange entfernt ist, um ausreichend sicher ein ungewolltes Geräuschverhalten zu verhindern. Gleichzeitig kann durch eine solche Variabilität in der das Verzahnungsspiel eliminierenden Anpresskraft, die die infolge des unterschiedlichen Hebels unterschiedliche Anregung des aktuell mit dem Lenkritzel zusammenwirkenden Abschnitts der Verzahnung der Lenkstange berücksichtigt, ein unnötig starkes Andrücken der relativ nah an dem proximalen Ende liegenden Abschnitte der Lenkstange an das Lenkritzel vermieden werden, was sich positiv auf das Lenkverhalten und die Reibungsverluste im Betrieb des Lenksystems auswirken kann.
Anregungen, die von dem distalen Ende der Lenkstange ausgehen, werden in der Regel in ausreichendem Maße durch eine zusätzliche radiale Lagerung der Lenkstange in dem Gehäuse abgestützt, so dass diese in der Regel weniger beachtlich bei der Auslegung der Höhe der durch die Druckstückeinheit realisierten Andrückkraft der Lenkstange an das Lenkritzel ist. Insofern kann eine solche Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems, bei der die Beaufschlagung des Druckstücks gegen die Lenkstange durch das zweite Federelement tendenziell mit zunehmendem Abstand von dem proximalen Ende der Lenkstange zunimmt, insbesondere bei einem Lenksystems vorteilhaft sein, bei dem das Lenkritzel relativ nah an einem Ende der Lenkstange (in ihrer Neutralstellung), beispielsweise innerhalb eines endseitigen Drittels oder Viertels der Lenkstange (in ihrer Neutralstellung), angeordnet ist.
Als „Neutralstellung“ der Lenkstange wird deren Anordnung innerhalb des Gehäuses verstanden, bei der die mittels des Lenksystems gelenkten Räder eines Kraftfahrzeugs eine Ausrichtung aufweisen, die zu einer Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs führt. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Lenkstange ausgehend von der Neutralstellung im Wesentlichen in gleichgroßem Maße in die beiden Richtung längsaxial verschiebbar in dem Gehäuse angeordnet ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung eines solchen erfindungsgemäßen Lenksystems kann vorgesehen sein, dass ein dem proximalen Ende der Lenkstange näher gelegener und insbesondere mehrere Zähne umfassender Endabschnitt der Verzahnung der Lenkstange vorgesehen ist, wobei die Verzahnung in diesem Endabschnitt derart ausgebildet ist, dass sich eine konstante Beaufschlagung durch das zweite Federelement einstellt. Weiterhin kann dann ein sich an den Endabschnitt anschließender zweiter Abschnitt der Verzahnung vorgesehen sein, wobei die Verzahnung in diesem zweiten Abschnitt derart ausgebildet ist, dass sich eine variable und vorzugsweise im Mittel ansteigende Beaufschlagung des Druckstücks gegen die Lenkstange durch das zweite Federelement einstellt. Dieser zweite Abschnitt kann sich dabei vorzugsweise von dem ersten Endabschnitt bis zu dem bezüglich des ersten Endabschnitts distalen Ende der Verzahnung der Lenkstange erstrecken. Der für eine konstante (und infolge der endseitigen Anordnung minimale) Beaufschlagung durch das zweite Federelement (die insbesondere auch ca. null betragen kann) vorgesehene Endabschnitt der Verzahnung der Lenkstange kann insbesondere dazu vorgesehen sein, ein toleranz- und verschleißbedingtes Nachstellen der Druckstückeinheit mittels des ersten Federelements zu ermöglichen, weil insbesondere in Kombination mit der vorzugsweise vorgesehenen Selbsthemmung der Position des Druckstücks ein Nachstellen durch das erste Federelement in dem zweiten Abschnitt der Verzahnung infolge der relativ hohen, durch das zweite Federelement bewirkten Andrückkraft verhindert sein kann.
Eine variable Beaufschlagung durch das zweite Federelement kann sich insbesondere infolge einer über dem Längsverlauf variablen Verzahnungshöhe der Verzahnung der Lenkstange einstellen, so dass hierfür eine Verschiebung des Druckstücks entlang der Längsachse der Lenkstange infolge der Beaufschlagung durch das erste Federelement nicht erforderlich ist. Eine solche Verschiebung soll ja vorzugsweise lediglich mit dem Ziel einer erstmaligen Eliminierung von Verzahnungsspiel während der Montage des Lenksystems sowie zur verschleißbedingten Nachstellung dieser Funktion erfolgen.
Als „Verzahnungshöhe“ wird der radiale Abstand (von der Längsachse der Lenkstange) desjenigen Bereichs der Verzahnung, der an der Verzahnung des Lenkritzels abgestützt ist, verstanden. Eine variable Verzahnungshöhe ist somit durch einen sich verändernden radialen Abstand dieses Kontaktabschnitts der Verzahnung der Lenkstange von deren Längsachse gekennzeichnet.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das zweite Federelement eine Blattfeder (insbesondere eine Profilfeder) ist oder eine solche zumindest umfasst, da die Integration einer solchen Blattfeder relativ wenig Bauraum, insbesondere in Richtung der von dieser bewirkten Beaufschlagung, d.h. insbesondere radial bezüglich der Längsachse der Lenkstange, erfordert, was insofern eine besonders vorteilhafte Kombination mit dem vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildeten und sich hauptsächlich entlang der Längsachse der Lenkstange erstreckenden ersten Federelement ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems kann vorgesehen sein, dass die Lenkstange einen Grundkörper und ein mit dem Grundkörper (fest) verbundenes Verzahnungselement umfasst. Dies ermöglicht eine separate Herstellung des Grundkörpers einerseits und des Verzahnungselements andererseits und damit eine relativ einfache Herstellbarkeit der Lenkstange. Dies kann insbesondere bei einer vorzugsweise vorgesehenen variablen Verzahnungshöhe der Verzahnung der Lenkstange vorteilhaft sein, durch die der Herstellungsaufwand für die Verzahnung grundsätzlich erhöht sein kann. Der Grundkörper kann vorzugsweise in zumindest einem Abschnitt, vorzugsweise möglichst über seiner gesamten Länge zylindrisch, d.h. mit einem (konstanten oder nicht-konstanten) kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sein, wodurch nicht nur eine relativ gute Herstellbarkeit für diesen sondern auch eine einfache Lagerung innerhalb des Gehäuses erreicht werden kann. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper der Lenkstange hohlzylindrisch ausgebildet ist, wodurch gegenüber einem entsprechenden Grundkörper in Vollbauweise insbesondere eine Gewichtsreduktion erreicht werden kann.
Eine vorteilhafte Führung der Lenkstange an dem Druckstück kann dadurch realisiert werden, dass das Druckstück eine rinnenförmige Aufnahme für die Lenkstange ausbildet.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Druckstück vollständig oder zumindest an der mit der Lenkstange in Kontakt kommenden Fläche, die auch in Form einer auf einem Grundkörper des Druckstücks aufgebrachten Beschichtung ausgebildet sein kann, aus einem Gleitlagerwerkstoff ausgebildet ist.
Zur Erzielung einer vorteilhaften und insbesondere kompakten Ausgestaltung der Druckstückeinheit kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das zweite Federelement mit dem Druckstück (fest) verbunden ist und eine einen Teil der Führung für das Druckstück darstellende Führungsfläche ausbildet. Dabei kann die Führungsfläche des zweiten Federelements insbesondere direkt auf einer Führungsfläche des Gehäuses gleitend beweglich gelagert sein.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems kann vorgesehen sein, dass das erste Federelement (zumindest in einem für die tatsächliche Nutzung zur Nachstellung vorgesehen Abschnitt des Gesamtfederwegs) eine möglichst konstante Federkennlinie aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Nachstellwirkung für die Druckstückeinheit, die durch das erste Federelement bewirkt wird, im Wesentlichen unabhängig von der tatsächlichen Position des Druckstücks und damit von einer bereits erfolgten, mehr oder weniger großen Nachstellung ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen PKW oder LKW, mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: ein erfindungsgemäßes Lenksystem in einem Längsschnitt;
2: den in der 1 mit II gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung;
3: einen teilweisen Querschnitt durch das Lenksystem;
4: den in der 3 mit IV gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter (perspektivischer) Darstellung; und
5: einen beispielhaften Verlauf der Verzahnungshöhe über der Länge der Verzahnung der Lenkstange sowie die dadurch erzielte Federkraft, durch die ein Druckstück des Lenksystems gegen die Lenkstange gedrückt wird.

Die 1 bis 4 zeigen eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lenksystems, das als rein mechanisches beziehungsweise manuelles Lenksystem oder als Hilfskraftlenksystem ausgebildet sein kann.
Das Lenksystem umfasst ein einteiliges oder mehrteiliges (insbesondere zweiteiliges), im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuse 1 (z.B. aus Metall und insbesondere Leichtmetall und/oder aus Kunstsoff), innerhalb dessen eine Lenkstange 2 (vorzugsweise aus Metall, z.B. Stahl) beweglich entlang ihrer Längsachse 3 gelagert ist. An ihren beiden längsaxialen Enden ist die Lenkstange 2 jeweils zur Verbindung mit einem Kugelgelenk (nicht dargestellt) vorgesehen, das wiederum der Verbindung mit jeweils einem Radlenkhebel (nicht dargestellt) dient, wobei mittels der Radlenkhebel eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange 2 in ein Schwenken von gelenkten Räder (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs gewandelt werden kann.
Eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange 2 kann zum einen durch das Aufbringen eines Lenkmoments auf eine Lenkhandhabe (nicht dargestellt), insbesondere ein Lenkrad, des Kraftfahrzeugs und daraus folgend durch das Erzeugen einer Drehbewegung der Lenkhandhabe bewirkt werden, wobei diese Drehbewegung der Lenkhandhabe über eine Lenksäule 19 (vgl. 3)) auf ein Lenkritzel 4 übertragen wird. Das Lenkritzel 4 wirkt hierzu mit einer als Zahnstangenkontur ausgebildeten Verzahnung 5, die in einem Abschnitt der Lenkstange 2 ausgebildet ist, zusammen, um die Drehbewegung des Lenkritzels 4 in eine translatorische Bewegung der Lenkstange 2 entlang ihrer Längsachse 3 zu wandeln. Die Verzahnung 5 ist dabei von einem Verzahnungselement 6 ausgebildet, das fest mit einem hohlzylindrischen Grundkörper 7 der Lenkstange 2 verbunden ist. Das Lenkritzel 4 ist in der Nähe eines (proximalen) Endes des Gehäuses 1 und die Verzahnung 5 dementsprechend in der Nähe eines (proximalen) Endes 13 der Lenkstange 2 angeordnet.
Die 1 und 2 zeigen die Lenkstange 2 in einer Neutralstellung, in der die durch das Lenksystem lenkbaren Räder des Kraftfahrzeugs Stellungen aufweisen, die zu einer Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs führen würden. Das Lenkritzel 4 befindet sich dabei in etwa mittig bezüglich der Verzahnung 5, so dass, ausgehend von der Neutralstellung mittels einer Rotation des Lenkritzels 4, eine im Wesentlichen gleich große Verschiebung der Lenkstange 2 innerhalb des Gehäuses 1 in die beiden Richtungen erreichbar ist.
Eine längsaxiale Bewegung der Lenkstange 2 kann ergänzend durch die Erzeugung eines Hilfslenkmoments mittels eines Lenkmotors (nicht dargestellt) bewirkt werden. Die Antriebsleistung des Lenkmotors kann hierzu beispielsweise mittels eines Getriebes (nicht dargestellt) auf die Lenksäule 19 übertragen werden. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, das Verschieben der Lenkstange 2 ausschließlich mittels eines durch den Lenkmotor erzeugten Lenkmoments zu bewirken.
Eine Lagerung der Lenkstange 2 innerhalb des Gehäuses 1 erfolgt in der Nähe des proximalen Endes des Gehäuses 1 mittels des Lenkritzels 4 sowie mittels einer dem Lenkritzel 4 bezüglich der Längsachse 3 der Lenkstange 2 radial gegenüberliegenden Druckstückeinheit 8, die zudem die Funktion eines Andrückens der Lenkstange 2 an das Lenkritzel 4 aufweist, wodurch eine stets möglichst vollständige Spielfreiheit des Eingriffs der Verzahnungen des Lenkritzels 4 in die Verzahnung 5 der Lenkstange 2 erreicht werden kann.
Im Bereich des anderen Endes des Gehäuses 1 erfolgt eine Lagerung der Lenkstange 2 mittels einer Lagerhülse 9.
Ein mittels eines ersten Federelements 10 beaufschlagtes Druckstück 11 der Druckstückeinheit 8 bildet eine rinnenförmige Aufnahme 12 aus (vgl. 3), in der ein Abschnitt des Grundkörpers 7 der Lenkstange 2 gleitend verschiebbar geführt ist. Im Grund der rinnenförmigen Aufnahme 12 weist das Druckstück 11 eine Wandstärke auf, die sich von dem proximalen Ende 13 der Lenkstange 2 näher gelegenen Ende des Druckstücks 11 bis zu dem anderen Ende des Druckstücks 11 konstant vergrößert, wodurch sich eine keilförmige Längsschnittkontur für das Druckstück 11 ergibt. Die der Lenkstange 2 zugewandte Innenkante dieser Längsschnittkontur verläuft dabei in etwa parallel zu der Längsachse 3 der Lenkstange 2, während die Außenkante der Längsschnittkontur schräg bezüglich der Längsachse 3 ausgerichtet ist. Auf der von der Lenkstange 3 abgewandten Unterseite ist das Druckstück 11 mit einem (zweiten) Federelement 14 verbunden, das in Form einer gekrümmten Blattfeder (mit konstanter Wandstärke; vorzugsweise aus Metall, z.B. Federstahl) ausgebildet ist, die sich in Querrichtung des Druckstücks 11 und beabstandet von diesem erstreckt und deren Enden in das Druckstück 11 integriert beziehungsweise eingebettet sind (vgl. 3 und 4). In Längsrichtung des Druckstücks 11 verläuft das zweite Federelement 14 in etwa parallel zu der Unterseite des Druckstücks 11, wodurch sich eine schräge Ausrichtung des zweiten Federelements 14 bezüglich der Längsachse 3 der Lenkstange 2 ergibt. Die von dem Druckstück 11 abgewandte Außenseite des zweiten Federelements 14 bildet mehrere Führungsflächen aus, mittels der die Einheit aus Druckstück 11 und zweitem Federelement 14 auf einer schräg bezüglich der Längsachse 3 der Lenkstange 2 verlaufenden Führungsfläche 15 des Gehäuses 1 verschiebbar geführt ist. Infolge dieser schrägen Ausrichtung der Führungsfläche 15 des Gehäuses 1 begrenzt diese mit der Lenkstange 2 einen Hohlraum, dessen radiale Höhe (bezüglich der Längsachse 3), ebenso wie die Wandstärke des Druckstücks 11 im Grund der rinnenförmigen Aufnahme 12, bei zunehmender Annäherung an das proximale Ende 13 der Lenkstange 2 beziehungsweise des Gehäuses 1 abnimmt. Eine Verschiebung der Einheit aus Druckstück 11 und zweitem Federelement 14 durch das vorgespannte erste Federelement 10 führt daher zu einem Andrücken des Druckstücks 11 an die Lenkstange 2 beziehungsweise zu einer zunehmenden Deformation des an der Führungsfläche 15 des Gehäuses 1 abgestützten zweiten Federelements 14 und infolge der Rückstellwirkung des elastisch deformierten zweiten Federelements 14 zu dem Andrücken des Druckstücks 11 an die Lenkstange 2.
Die Einheit aus Druckstück 11 und zweitem Federelement 14 ist mittels des in Form einer Schraubenfeder ausgebildet ersten Federelements 10 in Richtung des proximalen Endes 13 der Lenkstange 2 beaufschlagt. Das erste Federelement 10 ist dazu in einem im Querschnitt kreisförmigen und geradlinig verlaufenden, kanalförmigen Aufnahmeraum des Gehäuses 1 aufgenommen, wobei ein Ende des ersten Federelements 10 an dem geschlossenen Ende des Aufnahmeraums und das andere Ende an dem Druckstück 11 abgestützt ist.
Der Winkel der schräg bezüglich der Längsachse 3 der Lenkstange 2 ausgerichteten Führungsfläche 15 des Gehäuses 1 beträgt ca. 3 bis 5° und ist derart gewählt, dass dieser im Zusammenwirken mit den Reibungskoeffizienten in den Kontaktpaarungen des zweiten Federelements 14 mit dem Gehäuse 1 einerseits und des Druckstücks 11 mit dem Grundkörper 7 der Lenkstange 2 andererseits sowie im Zusammenwirken mit der Höhe der Beaufschlagung durch das vorgespannte erste Federelement 10 zu einer Selbsthemmung führt, die eine Mitnahme des Druckstücks 11 durch die Lenkstange 2 bei einer für das Lenken vorgesehenen Verschiebung der Lenkstange 2 weitestgehend verhindert, sofern das zweite Federelement in ausreichendem Maße deformiert ist, was immer der Fall ist, wenn sich das Lenkritzel 4 nicht im Eingriff mit einem Endabschnitt 16 der Verzahnung 5 der Lenkstange 2 befindet. Ein Verschieben des Druckstücks 11 ist demnach ausschließlich für ein erstmaliges Einstellen während der Montage und ein verschleißbedingtes Nachstellen des primär durch das zweite Federelement 14 bewirkten Andrückens des Druckstücks 11 an die Lenkstange 2 und damit der Lenkstange 2 an das Lenkritzel 4 vorgesehen, wobei durch eine im Wesentlichen konstante oder nur schwach linear ansteigende Federkennlinie, die das erste Federelement 10 in dem für die funktionsgemäße Nutzung vorgesehen Abschnitt seines Gesamtfederwegs aufweist, zu einer Deformation des zweiten Federelements 14 führt, die (bei einer unbewegten Lenkstange 2), unabhängig von der tatsächlichen Position des Druckstücks, im Wesentlichen gleich groß ist. Eine konstante Federkennlinie in zumindest einem Abschnitt des Gesamtfederwegs kann für eine eigentlich eine linear ansteigende Federkennlinie aufweisende Schraubenfeder beispielsweise durch eine nicht konstante Federdicke und/oder eine über der Länge variierende Windungszahl erreicht werden.
Die Verzahnung 5 der Lenkstange 2 weist entlang der Längsachse 3 eine nicht konstante Verzahnungshöhe auf, wobei sich der radiale Abstand der mit der Verzahnung des Lenkritzels 4 in Kontakt kommenden Abschnitte der Verzahnung 5 der Lenkstange 2 in einem sich an den Endabschnitt 16 anschließenden zweiten Abschnitt 17 verändert. Der dem proximalen Ende der Lenkstange 2 nahe gelegene Endabschnitt 16 umfasst beispielsweise drei oder vier Zähne, die dagegen eine im Wesentlichen identische beziehungsweise konstante Verzahnungshöhe aufweisen. Der bis zu dem anderen Ende der Verzahnung 5 reichende zweite Abschnitt 17 ist dagegen derart variabel gewählt, dass sich im Mittel eine Vergrößerung der Verzahnungshöhe ausgehend von dem Endabschnitt 16 bis zudem von dem Endabschnitt 16 entfernt gelegenen Ende der Verzahnung 5 ergibt. Der Verlauf der Vergrößerung der Verzahnungshöhe kann dabei konstant und dann gegebenenfalls auch linear sein. Alternativ ist auch ein nicht-konstanter Verlauf der Vergrößerung der Verzahnungshöhe möglich, wie dies anhand der Fig. 5 für ein Lenksystem gemäß den 1 bis 4 beispielhaft dargestellt ist.
Konkret sind in der 5 zwei Verläufe möglicher Verzahnungsüberhöhungen (rechte Vertikalachse und gestrichelte Verlaufslinien), ausgehend von einer als null definierten Verzahnungsüberhöhung, den die Verzahnung 5 in dem Endabschnitt 16 aufweist, sowie die Verläufe der sich aus diesen Verzahnungsüberhöhungen infolge einer zunehmenden Deformation des zweiten Federelements ergebenden Federkräfte (linke Vertikalachse und durchgezogene Verlaufslinien), jeweils über der Länge der Verzahnung 5 der Lenkstange 2 (Horizontalachse), dargestellt. Dabei ist einerseits die Möglichkeit einer in dem zweiten Abschnitt 17 linear ansteigenden Verzahnungsüberhöhung (dünne Strichstärken) dargestellt, die bei entsprechender Ausgestaltung des zweiten Federelements 14 (mit einer in etwa linearen Federkennlinie) zu einem linearen Ansteigen der durch die elastische Rückstellwirkung des zweiten Federelements 14 bewirkten Andrückkraft, mit der das Druckstück 11 gegen die Lenkstange 2 gedrückt wird, führen kann. Alternativ ist die Möglichkeit dargestellt, die Verzahnungsüberhöhung in dem zweiten Abschnitt 17 der Verzahnung 5 nicht-konstant und insbesondere auch nicht-kontinuierlich ansteigen zu lassen(dicke Strichstärken), wodurch ein entsprechender Verlauf der Andrückkraft realisiert werden kann. Dabei ist ein Ansteigen der Andrückkraft mit zunehmendem Abstand der Abschnitte der Verzahnung 5 von dem proximalen Ende 13 der Lenkstange 2 sinnvoll, um die infolge dieses zunehmenden Abstands größer werdenden Kräfte, die sich durch eine Anregung der Lenkstange 2 ausgehend von dem proximalen Ende 13 der Lenkstange 2 einstellen, bei der Verhinderung eines ungewollten Geräuschverhaltens infolge von temporär durch die Anregung erzeugtem Verzahnungsspiel zu berücksichtigen.
In dem Endabschnitt 16 ist dagegen eine Verzahnungsüberhöhung von den etwa null vorgesehen, die zu einer nur sehr geringen Vorspannung des zweiten Federelements 14 infolge der durch das erste Federelement 10 bewirkten Verschiebung des Druckstücks 11, die auch eine radiale Weg- und Kraftkomponente aufweist, führt. Diese nur geringe Vorspannung des zweiten Federelements 14 in dem Endabschnitt 16 ist sinnvoll, um trotz der selbsthemmenden Ausgestaltung beziehungsweise Integration der Druckstückeinheit 8 ein selbsttätig durch das erste Federelement 14 bewirktes Eliminieren des Verzahnungsspiels einerseits während einer Erstmontage des Lenksystems, wobei das Verzahnungsspiel dann insbesondere aus Bauteiltoleranzen resultiert, und andererseits im Betrieb des Lenksystems, wobei sich das Verzahnungsspiel dann insbesondere aufgrund von Verschleiß ausgebildet hat, zu ermöglichen. Ein Eliminieren von Verzahnungsspiel durch ein Verschieben des Druckstücks 11 mittels des ersten Federelements 10 erfolgt somit immer nur dann, wenn sich der Endabschnitt 16 der Verzahnung 5 der Lenkstange 2 im Eingriff mit der Verzahnung des Lenkritzels 4 befindet, was lediglich bei einem im Wesentlichen vollständigen Verschieben der Lenkstange 2 (nach rechts in den 1 und 2) der Fall ist. Ein solches vollständiges Verschieben der Lenkstange 2 entspricht einem vollständigen Lenkausschlag der mittels des Lenksystems gelenkten Räder. Eine zu einer ungewollten Geräuschentwicklung führende Anregung des an dem Lenkritzel 4 abgestützten Abschnitts der Lenkstange 2 ist dabei trotz der nur in einem sehr geringen Maße durch das zweite Federelement 14 erzeugten Andrückkraft nicht zu befürchten, was einerseits an dem geringen (geringstmöglichen) Abstand des Endabschnitts 16 der Verzahnung 5 von dem proximalen Ende 13 der Lenkstange 2 liegt und andererseits darin begründet ist, dass die Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs bei vollem Lenkausschlag und damit auch die grundsätzliche Anregung der Lenkstange 2 in der Regel relativ gering ist.
Die Erzeugung einer nur relativ kleinen Rückstellkraft infolge einer Verschiebung des Druckstücks 11 mittels des ersten Federelements 10 wird dadurch erreicht, dass sich randseitig gelegene Abschnitte des zweiten Federelements 14, die bei einem vollständig unbelasteten zweiten Federelement 14 in einem relativ kleinen Abstand zu Anschlagvorsprüngen 18, die auf der Unterseite des Druckstücks 11 ausgebildet sind, angeordnet sind, infolge einer mittels des ersten Federelements 10 bewirkten Verschiebung des Druckstücks 11 an den Anschlagvorsprüngen 18 anlegen, wobei hierfür infolge des dann noch relativ großen Abstands zwischen den zwei, in dem Druckstück 11 festgelegten Enden des zweiten Federelements 14 nur geringe Deformationskräfte erforderlich sind. Ein Kontakt dieser Abschnitte des zweiten Federelements 14 mit den Anschlagvorsprüngen 18 verringert jedoch die für eine weitere Deformation zur Verfügung stehende Breite des zweiten Federelements 14 auf die zwischen den Anschlagvorsprüngen 18 ausgebildete Distanz, wodurch sich die Federhärte des dazwischenliegenden Abschnitts des zweiten Federelements 14 dann deutlich erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Lenkstange
3: Längsachse der Lenkstange / des Gehäuses
4: Lenkritzel
5: Verzahnung des Lenkstange
6: Verzahnungselement
7: Grundkörper der Lenkstange
8: Druckstückeinheit
9: Lagerhülse
10: erstes Federelement
11: Druckstück
12: rinnenförmige Aufnahme des Druckstücks
13: proximales Ende der Lenkstange
14: zweites Federelement
15: Führungsfläche des Gehäuses
16: Endabschnitt der Verzahnung der Lenkstange
17: zweiter Abschnitt der Verzahnung der Lenkstange
18: Anschlagvorsprung des Druckstücks
19: Lenksäule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2336572 C2 [0003, 0004]
DE 102010029603 A1 [0005]

Claims

Lenksystem mit einer verschiebbar in einem Gehäuse (1) gelagerten und eine Verzahnung (5) ausbildenden Lenkstange (2), mit einem drehbar in dem Gehäuse (1) gelagerten, mit der Lenkstange (2) kämmenden Lenkritzel (4) und mit einer Druckstückeinheit (8), mittels der die Lenkstange (2) an das Lenkritzel (4) andrückbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstückeinheit (8) ein Druckstück (11) und ein (erstes) Federelement (10) umfasst, wobei das Druckstück (11), beaufschlagt durch das (erste) Federelement (10), in Längsrichtung entlang der Lenkstange (2) verschiebbar in dem Gehäuse (1) gelagert ist, wobei die Führung für das Druckstück (11) derart ausgebildet ist, dass ein durch das (erste) Federelement (10) bewirktes Verschieben zu einer Annäherung des Druckstücks (11) an die Längsachse (3) der Lenkstange (2) führt.
Lenksystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung für das Druckstück (11) eine schräg bezüglich der Längsachse (3) der Lenkstange (2) ausgerichtete Führungsfläche (15) des Gehäuses (1) umfasst.
Lenksystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das (erste) Federelement (10) eine Schraubenfeder ist oder umfasst.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung des ersten Federelements (10), des Druckstücks (11), der Führung für das Druckstück (11) und der Lenkstange (2) derart, dass sich eine Selbsthemmung der Position des Druckstücks (11) einstellt, wenn das Lenkritzel (4) in zumindest einem Abschnitt (17) der Verzahnung (5) mit der Verzahnung (5) kämmt.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zweites Federelement (14), durch das das Druckstück (11) gegen die Lenkstange (2) beaufschlagt ist.
Lenksystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (14) eine Blattfeder ist oder umfasst.
Lenksystem gemäß Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine ansteigende Federkennlinie des zweiten Federelements (14).
Lenksystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine außermittige Anordnung des Lenkritzels (4) bezüglich der Lenkstange (2) in ihrer Neutralstellung sowie eine Ausgestaltung der Verzahnung (5) der Lenkstange (2) derart, dass die Beaufschlagung des Druckstücks (11) gegen die Lenkstange (2) durch das zweite Federelement (14) relativ gering ist, wenn ein bezüglich des proximalen Endes (13) der Lenkstange (2) relativ nah gelegener Abschnitt der Verzahnung (5) mit dem Lenkritzel (4) kämmt, und relativ hoch ist, wenn ein bezüglich des proximalen Endes (13) der Lenkstange (2) relativ weit gelegener Abschnitt der Verzahnung (5) mit dem Lenkritzel (4) kämmt.
Lenksystem gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen dem proximalen Ende (13) der Lenkstange (2) näher gelegenen Endabschnitt (16) der Verzahnung (5), wobei die Verzahnung (5) in diesem Endabschnitt (16) derart ausgebildet ist, dass sich ein konstante Beaufschlagung durch das zweite Federelement (14) einstellt, und einen sich an den Endabschnitt (16) anschließenden zweiten Abschnitt (17) der Verzahnung (5), wobei die Verzahnung (5) in diesem zweiten Abschnitt (17) derart ausgebildet ist, dass sich eine variable Beaufschlagung durch das zweite Federelement (14) einstellt.
Lenksystem gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine variable Beaufschlagung durch das zweite Federelement (14) infolge einer über dem Längsverlauf variablen Verzahnungshöhe der Verzahnung (5) der Lenkstange (2) einstellt.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkstange (2) einen Grundkörper (7) und ein mit dem Grundkörper (7) verbundenes Verzahnungselement (6) umfasst.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (11) eine rinnenförmige Aufnahme (12) für die Lenkstange (2) ausbildet.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (11) zumindest an der mit der Lenkstange (2) in Kontakt kommenden Fläche aus einem Gleitlagerwerkstoff ausgebildet ist.
Lenksystem gemäß Anspruch 5 oder einem der von Anspruch 5 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (14) mit dem Druckstück (11) verbunden ist und eine einen Teil der Führung für das Druckstück (11) darstellende Führungsfläche ausbildet.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das (erste) Federelement (10) eine konstante Federkennlinie aufweist.