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Die Erfindung betrifft eine Druckstückeinheit für elektro-mechanische
Lenkungen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Allgemein bekannt sind manuelle Lenkungen, bei welchen das durch den
Fahrer auf die Lenkhandhabe aufgebrachte Betätigungsmoment über die
Lenkspindel, das Lenkgetriebe und die Spurstangen auf die lenkbaren
Räder übertragen wird. Auch sind lenkkraftunterstützte Lenkungen bekannt,
bei denen das durch den Fahrer aufgebrachte Betätigungsmoment
anteilmäßig durch andere Energiequellen übernommen wird. Je nach Art der
Energiequelle unterscheidet man zwischen hydraulischer, pneumatischer
oder elektrischer Lenkkraftunterstützung. Schließlich sind
Fremdkraftlenkungen bekannt, bei welchen die Lenkkraft ausschließlich von einer im
Fahrzeug vorhandenen Energiequelle aufgebracht wird, d. h. die
Lenkhandhabe ist lediglich über eine Regelstrecke wirkungsmäßig mit einem die
Fahrzeuglenkräder betätigendem Motor verbunden.
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Diese beschriebenen Lenkungen weisen, z. B. zur Umwandlung des
Drehmomentes der Lenkspindel in eine translatorische Bewegung der
Zahnstange und/oder zur Übertragung der Hilfs- bzw. Fremdkraft von einem
Elektromotor in das Lenksystem, mechanische Getriebe auf.
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Bei mechanischen Getrieben treten herstellungsbedingte Toleranzen, wie
Zahndickenabmaß, Flankenformfehler, Rundlauffehler, Teilungsfehler und
Achsabstandsabweichungen auf. Um ein Klemmen der
Übertragungselemente zu vermeiden, muss daher stets ein Spiel vorhanden sein. Durch den
Verschleiß nimmt dieses Getriebespiel über die Lebensdauer noch zu.
Dieses Spiel ist bei Anwendungen, wie in Übertragungs- bzw.
Umwandlungsgetrieben für Fahrzeug-Lenkvorrichtungen störend, da dort eine
Spielfreiheit in beide Drehrichtungen erforderlich ist. An der Lenkhandhabe ist
sonst die Unstetigkeit im Momentenverlauf durch das Getriebespiel
spürbar und es treten Geräusche beim Wechsel der Drehrichtung auf.
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Bei Lenkeinrichtungen konventioneller Bauart oder mit hydraulischer
Lenkkraftunterstützung drückt bekanntermaßen, wie in der DE 34 08 673 A1
beschrieben, ein Druckstück durch die federnde Kraft einer Feder gegen
die Rückseite der Zahnstange, um einen spielfreien Zahneingriff zwischen
Zahnstange und Ritzel zu gewährleisten. Dabei stützt sich die Feder gegen
die Innenseite eines Schraubdeckels unter Einhaltung eines begrenzten
Spaltes (Spiel) zwischen Deckel und Druckstück ab. Das Spiel und die
federnde Kraft der Feder können durch den Betrag des Einschraubens des
Deckels eingestellt werden.
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Über die Lebensdauer gesehen, tritt infolge von hohen Kräften, wie sie
z. B. bei elektromechanischen Hilfs- bzw. Fremdkraftlenkungen auftreten,
ein erhöhter Verschleiß an miteinander korrespondierenden Bauteilen auf,
wodurch sich das Spiel vergrößert. Die dadurch gegebene, vergrößerte
axiale Ausweichmöglichkeit des Druckstückes, kann, trotz z. B. einer Feder
zwischen Druckstück und Stellschraube, zu einem störenden
Geräuschverhalten führen und das gute Lenkgefühl, welches bei hydraulisch
unterstützten Lenkungen vorhanden ist, geht verloren.
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Bei elektrisch angetriebenen Lenkungen sind Vorrichtungen bekannt, bei
welchen die Federelemente eine größere Kraft als die Zahntrennkräfte
erzeugen und demzufolge kein Getriebespiel auftritt. Diese Federelemente
sind für den Bereich um den Geradeauslauf dimensioniert. Es können
jedoch auch im Bereich des Geradeauslaufs schon große Kräfte auftreten,
deshalb sind auch die Federkräfte groß, mit dem Nachteil, dass im
Getriebesystem eine große Grundreibung durch die großen Federkräfte
vorhanden ist. Die Rückstellkräfte der zu lenkenden Räder auf die Lenkeinrichtung
reichen nicht immer aus, um den Geradeauslauf von selbst wieder
einzustellen. Die Veränderung der Haft-Gleitreibung im Getriebe und deren
zusätzliche Veränderung über den Temperaturbereich, die Drehrichtung und
den Verschleißzustand, sorgen für ein schlechtes Lenkgefühl.
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Weiterhin ist es bekannt, das Getriebespiel zu beseitigen, in dem je ein
elektrischer Antrieb eine Drehrichtung absichert. Ein Antrieb bringt das
Lenkmoment in eine Drehrichtung, während der andere Antrieb ein
definiertes kleineres Gegenmoment in das Getriebe einleitet, sodass immer
Spielfreiheit gegeben ist, wodurch ein gutes Lenkgefühl erreicht wird.
Diese Wirkung ist nur durch zwei Elektromotoren und deren aufwendiger
Regelung bei entsprechenden Mehrkosten erreichbar.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem
zugrunde, eine Druckstückeinheit der eingangs angegebenen Art zu
konzipieren, bei welcher das Getriebespiel keinen negativen Einfluss auf das
Lenkgefühl ausübt und die Grundreibung im Getriebe möglichst klein
bleibt. Das Problem wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruches aufgeführten Merkmal gelöst, indem parallel zu einer
mechanischen Feder mit einer geringen Federkraft ein richtungsabhängiger
Fluiddämpfer mit starker Dämpfung angeordnet wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass
mit der Druckstückeinheit eine gleichbleibende Dämpfung, unabhängig
von der Druckstückposition, dem Verschleiß und von den
Temperatureinflüssen erreicht wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Druckstückeinheit;
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Fig. 2 eine Kraft-Verzahnungsspiel-Kennlinie;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer
elektromechanischen Lenkung;
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Fig. 4 eine Darstellung einer Druckstückeinheit mit
hydraulischer Dämpfung;
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Fig. 5 eine Darstellung einer Druckstückeinheit mit
hydraulischer Dämpfung in einer anderen Ausführungsform.
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Im Wesentlichen gleiche Teile in den unterschiedlichen Figuren sind mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der Zeichnung ist eine Druckstückeinheit 27 dargestellt, die in
Getriebestufe 26 mit elektro-mechanischer Lenkkraftunterstützung von
Kraftfahrzeugen angewandt wird, um z. B. das Antriebsritzel, welches mit der
Lenkhandhabe 20 über eine Lenksäule 24 verbunden ist, mit der
Verzahnung der Zahnstange 5, die beidseitig über Spurstangen 28 und Lenkhebel
mit den lenkbaren Rädern 29 verbunden ist, in einem ständigen Eingriff zu
halten.
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In einem anderen Anwendungsfall wird die Druckstückeinheit 25, wenn
der die Lenkkraft unterstützende Elektro-Motor 22 z. B. als
Lenksäulenantrieb gestaltet ist, in dem Untersetzungsgetriebe 23 des Motoranschlusses
integriert. (Die Möglichkeit der Anwendung der Druckstückeinheit bei
einem nicht dargestellten Ritzel-, Doppelritzel- oder achsparallelem Antrieb
besteht ebenfalls). Auch ist der Einsatz der Druckstückeinheit 25 bei dem
Lenkmotor- bzw. Lenkradmotoranschluss einer als "Steer by Wire"
bezeichneten fremdkraftunterstüzten Fahrzeuglenkung möglich.
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In der Fig. 1 ist die parallele Anordnung einer Feder 2, die die
Verzahnungen von Übertragungsbauteilen der Getriebestufen 23, 26 ineinander
drückt, zu einem Fluiddämpfer 14 dargestellt, dessen Wirkung im
Wesentlichen nur in Richtung Verzahnung erfolgt. Um eine geringe Grundreibung
zu erreichen, wobei die Verzahnungsbauteile trotzdem in verzahntem
Eingriff gehalten werden, ist die Feder 2 mit einer geringen Federkraft
ausgestattet, während mit einer großen Dämpfung gearbeitet wird.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, müssen die Zahntrennkräfte A wesentlich
größer sein als die Rückstellkräfte B. Dadurch tritt das maximal mögliche
Verzahnungsspiel aufgrund des Dämpfers 14 nur bei sehr großen
Lenkkräften auf, sodass das Verzahnungsspiel in den meisten Lenksituationen im
Wesentlichen gering und demzufolge das Lenkgefühl an der
Lenkhandhabe 20 gut ist. Diese Wirkung ist mit dem Einsatz eines Dämpfers 14
besonders im sensiblen Mittenbereich möglich, da die Lenkkräfte hier nicht die
Maximalwerte erreichen. Die Energie C der Zahntrennkräfte A wird im
Dämpfer 14 in disserpierte Energie umgewandelt und lässt dadurch über
die einwirkende Zeit in Abhängigkeit der zugeführten Energie nur ein
langsames Anwachsen des Verzahnungsspiels zu.
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Je nach Abstimmung der parallel geschalteten mechanischen Feder 2 und
des Dämpfers 14 kann unterschiedliches Belastungs- bzw.
Entlastungsverhalten zeitabhängig erzeugt werden.
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Eine schematische Darstellung eines Lenksystemes mit elektrischem Antrieb
22 und mehreren Getriebestufen 23, 26 ist in Fig. 3 dargestellt. Jede
Getriebestufe 23, 26 besteht mindestens aus zwei Verzahnungsteilen, sodass
jeweils miteinander korrespondierende Verzahnungsbauteile durch eine
Einheit aus Dämpfer 14 und Feder 2 belastet werden.
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An der Lenkhandhabe 20 leitet der Fahrer ein nach links und rechts
wechselndes Drehmoment ein, um die Fahrtrichtung des Fahrzeuges zu
bestimmen. Eine Sensoreinheit 21 ermittelt die Drehrichtung und das
Drehmoment und regelt so den Elektromotor 22 der Servoeinheit. Die Servoeinheit
gibt die durch den Fahrer vorbestimmte Drehrichtung und ein verstärktes
Drehmoment über eine erste Getriebestufe 23 in die Lenksäule 24 ein. Das
Getriebespiel wird durch eine erfindungsgemäße Druckstückeinheit 25 so
reduziert, dass es an der Lenkhandhabe 20 nicht wahrnehmbar ist. Dieses
Drehmoment wird durch eine weitere Getriebestufe 26 untersetzt und in
eine translatorische Bewegung der Zahnstange umgewandelt. Wie die
Getriebestufe 23 ist auch die Getriebestufe 26 mit einer Druckstückeinheit 27
ausgestattet. Durch den Einsatz der beiden Druckstückeinheiten 25, 27
wird das vorhandene mögliche Getriebespiel der Verzahnungen aus den
Getriebestufen 23 und 26 nur begrenzt zugelassen, in dem die Energie C
der Zahntrennkräfte A bei der Spielzunahme im Dämpfer 14 in disserpierte
Energie umgewandelt wird.
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In den Fig. 4 und 5 ist jeweils die konstruktive Gestaltung einer
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckstückeinheit 27 dargestellt, wie
sie verwandt wird, Ritzel und Zahnstange 5 des Lenkgetriebes im ständigen
Eingriff zu halten.
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Die Druckstückeinheit 27 ist in eine Aufnahmebohrung 18 des
Lenkgetriebegehäuses 17 derart integriert, dass das der Verzahnung der Zahnstange
gegenüberliegende Teil der Zahnstange 5 mit der Aufnahme der
Druckstückeinheit 27, die in ihrer geometrischen Form dem Zahnstangenrücken
angepasst und mit einem einen geringen Reibungskoeffizienten
aufweisenden Material ausgekleidet ist, korrespondiert.
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Die Druckstückeinheit 27 weist ein Druckstück 4 auf, das axial zur
Symmetrieachse der Druckstückeinheit 27 in der Bohrung 18 des
Getriebegehäuses 17 bewegbar angeordnet ist. Dieses Druckstück 4 ist derart
ausgebildet, dass an ihm zahnstangenseitig die Aufnahme für den
Zahnstangenrücken angeordnet ist und dass weiterhin an seiner vom
Zahnstangenrücken abgewandten Seite, die räumlichen Voraussetzungen für zwei
Fluidkammern 1, 7 die durch den Kolbenteil 14b des Fluiddämpfers 14
voneinander getrennt sind, auf.
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Der Fluiddämpfer 14 besteht aus einem Gehäusetopf 14a, in welchem ein
Kolben 14b axial beweglich integriert ist. Gehäusetopf 14a und Kolben
14b werden durch eine Kolbenfeder 3 mit geringer Federkraft auseinander
gedrückt. Im Kolben 14b ist eine durch ein Rückschlagventil 9
verschlossene Öffnung angeordnet.
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Durch die Druckfeder 2 wird eine kleine Andrückkraft auf die Zahnstange 5
oder dessen Lagerung ausgeübt.
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Das Druckstück 4 wird durch eine Stellschraube 11 in der Gehäusebohrung
des Gehäuses 17 gehalten. Vor der Justierung der Stellschraube 11 ist ein-
Spielwert (Spalt 12) vorzusehen.
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Zwischen Kolben 14b und Innenwandung des Gehäusetopfes 14a wird ein
Ringspalt 6, welcher koaxial zur Symmetrieachse der Druckstückeinheit 27
verläuft, gebildet.
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Die Niederdruckkammer 7 ist in der Ausführungsform nach Fig. 4 durch
einen über den Balghalter 16 befestigten Balg, der als Ausgleichselement 8
wirkt und sich bei Belastung dehnt und bei Entlastung zusammenzieht und
einen O-Ring 10, stirnseitig abgeschlossen.
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In der Ausführungsform nach Fig. 5 ist das Druckstück 4 stirnseitg über
eine Bodenplatte 15, die einen Verschlussstopfen 13 aufweist, mittels O-
Ring 10 dichtend abgeschlossen. Als Ausgleichselement 8 dient ein
schwammförmiges Ausgleichselement 8, das in einer Ringnut der
Innenwandung der Niederdruckkammer 7 integriert ist und bei Belastung
komprimiert wird und sich bei Entlastung wieder ausdehnt.
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Bei Betrieb der Lenkung und damit Beanspruchung des Lenkgetriebes wird
die Aufnahme und damit das Druckstück 4 durch eine Ausweichbewegung
der Zahnstange 5 mit der Kraft F beaufschlagt. Durch Komprimierung des
Hochdruckraumes 1, der Druckfedern 2 und 3, wird ein Ausweichen des
Druckstückes 4 innerhalb des Spiels 12 verzögert, da sich im
Hochdruckraum 1 ein inkompressibles Medium, das nur über die als Ringspalt 6
ausgebildete Drosselstelle in den Niederdruckraum 7 entweichen kann,
verzögert.
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Damit das Medium in den restlos gefüllten Niederdruckraum 7 fließen
kann, wird das Ausgleichselement 6, je nach Ausführungsform, gedehnt,
bzw. komprimiert.
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Bei Entlastung der Aufnahme und damit des Druckstückes 4 wird die
Zahnstange durch die Druckfeder 2 in die Ritzelverzahnung gedrückt. Die
vorgespannte Druckfeder 2 zieht den Hochdruckraum 1 auf. Dadurch wird
das Volumen im Hochdruckraum 1 vergrößert und es entsteht ein
Unterdruck. Das Rückschlagventil 9 öffnet und das Hydraulikmedium kann vom
Niederdruckraum 7 in den Hochdruckraum 1 nachfließen. Das Ausgleichs
element entspannt bzw. dehnt sich in den ursprünglichen Zustand aus.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Hochdruckkammer
2 Druckfeder
3 Kolbenfeder
4 Druckstück
5 Zahnstange
6 Ringspalt
7 Niederdruckraum
8 Ausgleichselement
9 Rückschlagventil
10 O-Ring
11 Stellschraube
12 Spiel
13 Verschlussstopfen
14 Fluiddämpfer
14a Gehäusetopf
14b Kolben
15 Bodenplatte
16 Halter für Balg
17 Getriebegehäuse
18 Bohrung
20 Lenkhandhabe
21 Sensoreinheit
22 Elektromotor
23 Getriebestufe
24 Lenksäule
25 Druckstückeinheit
26 Getriebestufe
27 Druckstückeinheit
28 Spurstange
29 Rad
A Zahntrennkraft
B Rückstellkraft
C Energie
F Kraft