DE10209370A1

DE10209370A1 - Servolenkung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10209370A1
Application number: DE10209370A
Authority: DE
Inventors: Willi Tropper
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-03-03
Also published as: ITMI20030359A1; DE10209370B4; US20040020705A1; US6871562B2

Abstract

Für eine Servolenkung, die als Kugelumlauflenkung eine Schneckenwelle und diese umschließend einen Arbeitskolben aufweist, der über eine Kugelkette zur Schneckenwelle axial verschieblich anzutreiben ist, wird eine Gleitringdichtung für den Ringspalt zwischen Arbeitskolben und Schneckenwelle vorgesehen, die mehrteilig ausgebildet ist und die, gegensinnig gepfeilt, zwei in einer Ringnut des Arbeitskolbens geführte Stützringe und einen zwischen die Stützringe eingreifenden Dichtring aufweist, wobei die Breite der Ringnut größer ist als die axiale Breite der Gleitringdichtung bei gegen den Dichtring anliegenden Stützringen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Servolenkungen der vorgenannten Art sind aus der Praxis und der Broschüre "ZF-Lenkungen mit Zubehör und Pumpenprogramm", Publikations-Nr. G 7000 P-WH 4/97d der ZF Friedrichshafen AG, Geschäftsbereich Lenkungstechnik bekannt. Die am Lenkrad eingeleitete Drehbewegung wird von der Lenkspindel und einer in Verlängerung derselben liegenden Schneckenwelle unter Vermittlung einer endlosen Kugelkette auf den die Schneckenwelle umschließenden Kolben übertragen, der beidseitig druckbeaufschlagbar ist und dessen Druckbeaufschlagung drehrichtungsabhängig über einen in die Schneckenwelle integrierten und im Abhängigkeit vom beaufschlagenden Lenkmoment verstellbaren Steuerschieber gesteuert ist. Die Kugelkette bedingt zwischen dem im Gehäuse geführten Kolben, der axial längs der Schneckenwelle verschieblich ist und über eine Außenverzahnung mit einer mit dem Lenkstockhebel verbundenen Segmentwelle kämmt, und der ebenfalls im Gehäuse abgestützten Schneckenwelle auf Grund der wechselseitigen Abstützung an Schneckenwelle und umschließendem Arbeitskolben über die Kugelkette einen verhältnismäßig großen Ringspalt, der zur Abtrennung der Arbeitsräume abgedichtet werden muss. Die Abdichtung erfolgt über eine Gleitringdichtung, die in Anbetracht der Verdrehbarkeit der Schneckenwelle gegenüber dem Arbeitskolben bei zusätzlicher axialer Verschiebbarkeit und relativ hohen Druckunterschieden zwischen den Druckräumen hohen Belastungen ausgesetzt ist, und dies bei relativ großem Ringspalt und einer im Hinblick auf die zu beherrschenden Druckunterschiede nötigen, hohen radialen Vorspannung der Dichtung.

Der Erfindung liegt die. Aufgabe zugrunde, eine Servolenkeinrichtung der eingangs genannten Art in Bezug auf die Ausgestaltung der Dichtung dahingehend weiter zu bilden, dass bei bezogen auf die Dichtung wie auch auf die Ringnut und die Größe des Ringspaltes toleranzunempfindlichen Aufbau mit einfachen Mitteln eine verschleißunempfindliche, kostengünstige und dauerhaltbare Abdichtung zwischen den Druckräumen geschaffen wird.

Erreicht wird dies gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1, bei der mit zwei spaltüberbrückend angeordneten, dreiecksförmigen, in einer Ringnut angeordneten Stützringen gearbeitet wird, zwischen deren einander zugewandter, gegen den Nutgrund auseinander laufender Seiten ein keilförmiger, vom Nutgrund ausgehender Dichtring eingreift, der durch den hochdruckseitig anstehenden Druck ebenso wie der niederdruckseitige Stützring axial in Richtung auf die Niederdruckseite wie auch radial beaufschlagt ist, so dass über die Abstützung zwischen jeweils niederdruckseitigem Stützring und Dichtring sowohl eine Dichtgrenze geschaffen wird, als auch eine axiale und radiale Verspannung dieser als Dichtgrenze wirkenden Elemente der Ringdichtung druckabhängig erreicht wird. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ringdichtung arbeitet somit mit entsprechender Verspannung durch den jeweiligen, anstehenden Druck.

Weiter besteht die Ringdichtung aus einfachen Elementen, die zudem im Werkstoff bezüglich ihrer Beanspruchung unterschiedlich ausgestaltet sein können, wobei sich für die Stützringe insbesondere Werkstoffe relativ hoher Verschleißfestigkeit und Härte, insbesondere Polyamide eignen, während für den Dichtring bevorzugt als Werkstoff Polytetrafluorethylen, insbesondere faserverstärkte Polytetrafluorethylen, geeignet ist, das keine besondere Bearbeitung des Nutgrundes verlangt, so dass die Ringnut als eingestochene Ringnut mit geringem Aufwand herzustellen ist.

Die Stützringe sind im Querschnitt bevorzugt als rechtwinklige Dreiecke ausgebildet, zu denen ein Dichtring korrespondiert, der bevorzugt trapezförmig ausgebildet ist, wobei im Rahmen der Erfindung die jeweiligen Eckbereiche bevorzugt abgeschnitten sind.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert, wobei
Fig. 1 eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines mit hydraulischer Unterstützung arbeitenden Lenkgetriebes einer Kugelumlauflenkung zeigt, und
Fig. 2 in einer stark vergrößerten Ausschnittsdarstellung Anordnung und Ausbildung der im Übergang zwischen Arbeitskolben und Lenkschnecke vorgesehenen, spaltübergreifenden Dichtung.
Das schematisch dargestellte Lenkgetriebe 1 gemäß Fig. 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem koaxial eine Schneckenwelle 3 und diese übergreifend, ein Arbeitskolben 4 angeordnet sind. Die Schneckenwelle 3 schließt an die Lenkspindel 5 an, und sie nimmt, was nicht dargestellt ist, ein Drehschieberventil auf, über das in Abhängigkeit von lenkungsrelevanten Parametern, so insbesondere dem fahrerseitig über die Lenkspindel 5 eingegebenen Lenkmoment die hydraulische Beaufschlagung der Druckräume 6 und 7 gesteuert ist, die über den Arbeitskolben 4 getrennt sind und über die, je nach Druckbeaufschlagung, der Arbeitskolben 4 axial belastet ist. Die Verbindung des Arbeitskolbens 4 zur Schneckenwelle 3 erfolgt über eine nur teilweise dargestellte Kugelkette 8, so dass entsprechend der Drehrichtung der Lenkspindel 5 bzw. der Schneckenwelle 3 der Arbeitskolben 4 axial verlagert wird, und zwar in Abhängigkeit von der Druckdifferenz in den Druckräumen 6 und 7 entsprechend der Beaufschlagung durch den unter höherem Druck stehenden Druckraum 6 bzw. 7 in über das eingegebene Lenkmoment vorgegebener Axialrichtung.
Der Arbeitskolben 4 weist umfangseitig eine Verzahnung 9 auf, die mit der Verzahnung 10 einer Segmentwelle 11 kämmt, welche, was nicht dargestellt ist, über einen Lenkstockhebel und nachfolgende Lenkgestänge mit den lenkbaren Rädern verbunden ist.
Die den Druckräumen 6 bzw. 7 zugeordneten Hydraulikanschlüsse sind schematisch bei 12 und 13 angedeutet und es ist bezogen auf die in der Ausschnittsvergrößerung gemäß Fig. 2 dargestellte Gleitringdichtung 14 zwischen Arbeitskolben 4 und Schneckenwelle 3 der Druckraum 7 hochdruckseitig beaufschlagt, entsprechend einer Drehrichtung 15 der Lenkspindel 5, die zu einer Verschiebung des Arbeitskolbens 4 in Richtung des Pfeiles 16 längs der Schneckenwelle 3 korrespondiert. Zwischen der Schneckenwelle 3 und dem Arbeitskolben 4, die beide im Gehäuse 2 abgestützt sind, läuft die Kugelkette 8 und ergibt sich ein Ringspalt 17, der über die Gleitringdichtung 14 zur Trennung der Druckräume 6 und 7 abzudichten ist, wobei der Gleitringdichtung 14 im Arbeitskolben 4 eine Ringnut 18 zugeordnet ist und wobei sich die Gleitringdichtung 14 vom Arbeitskolben 4 über den Ringspalt 17 dichtend an den Umfang der Schneckenwelle 3 anlegt.
Fig. 2 zeigt den Bereich der Gleitringdichtung 14 in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, und es finden für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen Verwendung.
Die Gleitringdichtung 14 ist in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mehrteilig ausgebildet und umfasst zwei Stützringe 19 und 20 sowie einen Dichtring 21. Die Stützringe 19 und 20 sind im Ausführungsbeispiel untereinander gleich ausgebildet, bei einem rechtwinkligen Dreieck entsprechenden Querschnitt, wobei von den rechtwinklig zueinander stehenden Schenkeln 22 und 23 der Schenkel 22 auf dem Umfang 24 der Schneckenwelle 3 und der Schenkel 23 für die untereinander gleichen Stützringe 19 und 20 jeweils an einer der Flanken 25 bzw. 26 der U-förmigen Ringnut 18 anliegt, deren Nutgrund mit 27 bezeichnet ist. Die Stützringe 19 und 20 liegen spiegelsymmetrisch zu einer die Ringnut 18 teilenden Radialebene, stützen sich radial innen über ihren jeweiligen Schenkel 22 den Ringspalt 17 überdeckend am Umfang 24 der Schneckenwelle 3 ab und enden radial außen mit Abstand zum Nutgrund 27, wobei, wie in Fig. 2 gezeigt, die radial äußeren Spitzen der Dreiecksquerschnitte der Stützringe 19 und 20 gekappt sind. Zwischen den symmetrisch einander gegenüberliegenden, zwischen den Schenkeln 22 und 23 verlaufenden und nach radial außen entgegengesetzt gegen die jeweilige Nutflanke 25 bzw. 26 geneigten Seiten 28 bzw. 29 der Stützringe 19 und 20 liegt der Dichtring 21, dessen Basis 30 dem Nutgrund 27 zugeordnet ist und dessen Seiten 31 und 32 bei zu den Seiten 28 bzw. 29 korrespondierender Neigung über der Basis 30 ein gleichschenkliges Dreieck abgrenzen, wobei im Ausführungsbeispiel die Ecken des dreiecksförmigen Dichtringes 21 gekappt sind und dieser in der Grundform ein Trapez bildet.
Die Länge der Basis 30 des Dichtringes 21 ist kleiner als die Breite der Ringnut 18, so dass bei dem vorgeschilderten Aufbau der Dichtring 21 gegenüber dem Nutgrund 27 bzw. in Bezug auf die an den Nutflanken 25 bzw. 26 anliegenden Stützringe 19 bzw. 20 axial verschieblich ist. Bezogen auf die in Fig. 1 geschilderte Ausgangssituation mit hochdruckseitiger Beaufschlagung des Druckraumes 7 herrscht, bezogen auf die Darstellung gemäß Fig. 2, rechts der Ringnut 18 ein höherer Druck als links der Ringnut 18 mit der Folge, dass beim Wechsel der Druckbeaufschlagung, also bei sich relativ zum Druckraum 6 aufbauendem Überdruck im Druckraum 7 der Stützring 20 von der Nutflanke 26 abhebt und den Zulauf auf den Nutraum freigibt, wodurch der Dichtring 21 gegen den Stützring 19 angelegt wird und der Stützring 19 sowohl über die Beaufschlagung durch den Dichtring 21 wie auch unmittelbar durch die Druckbeaufschlagung axial und radial beaufschlagt wird, somit gegen die Nutflanke 25 wie auch gegen den Umfang 24 der Schneckenwelle 3 dichtend angedrückt wird. Bei der Umkehrung der Drehrichtung der Lenkspindel, und daraus korrespondierend der Umkehr der Verschieberichtung 16 sowie auch der Druckbeaufschlagung, ergeben sich korrespondierende Verhältnisse.
Im Rahmen der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Stützringe 19, 20 aus einem verhältnismäßig harten und verschleißfesten Kunststoffmaterial bestehen, so beispielsweise aus einem Polyamid, bei einem Innendurchmesser, der bei enger Tolerierung zur Schneckenwelle 3 eine gleitende Abdichtung ergibt, die in Abhängigkeit vom Druckaufbau in der Ringnut 18 verstärkt wird, wobei das Zusammenwirken des Dichtringes 21 mit dem jeweils beaufschlagten Stützring, - in Fig. 2 mit dem Stützring 19, der der Niederdruckseite zugeordnet ist - unabhängig von Schwankungen in der absoluten Größe des Ringspaltes 17 bei zentrischer Zuordnung von Schneckenwelle 3 und Arbeitskolben 4 wie auch bei exzentrischen Positionen eine sichere Abdichtung gewährleistet.
Für den Dichtring 21 erweist sich als Material Polytetrafluoräthylen, bevorzugt Polytetrafluoräthylen mit Fasereinlage, beispielsweise mit einer Glasfasereinlage von 20% als vorteilhaft, das auf Grund seiner guten Gleiteigenschaften bei hinreichender Verschleißfähigkeit ohne besondere Bearbeitungsanforderungen an die Oberfläche des Nutgrundes 27 auch bei einer gewissen Vorspannung des Dichtringes 21 gegen den Nutgrund 27 eine leichte Verschiebbarkeit desselben gewährleistet.
Die Seiten 31 und 32 des Dichtringes 21 schließen bevorzugt einen Winkel ein, der in der Größenordnung von 60° liegt, mit der Folge einer entsprechenden Neigung der Seiten 28 und 29 der Stützringe 19 bzw. 20 gegen den Umfang der Schneckenwelle 3.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gleitringdichtung 14 ermöglicht es, deren Elemente, nämlich die Stützringe 19 bzw. 20 und den Dichtring 21 mit vergleichsweise geringer Vorspannung bzw. nahezu vorspannungslos zu montieren, da die für die Dichtfunktion notwendige Verspannung druckabhängig verstärkt wird, so dass spannungsbedingte Werkstoffermüdungen bzw. spannungsbedingtes Werkstofffließen vermieden wird. Auf Grund des radialen Spieles, das ungeachtet einer einwandfreien Dichtfunktion der Gleitringdichtung zum Beispiel zum Ausgleich von Exzentrizitäten möglich ist, werden bezüglich der Gleitringdichtung auch Kompressionszustände vermieden, die zu Schädigungen führen können, wobei die mit solchen Exzentrizitäten verbundene Reibarbeit durch geeignete Werkstoffwahl für die Stützringe 19 bzw. 20 einerseits und den Dichtring 21 andererseits kleingehalten werden kann, wobei die geschilderte Wahl von Polyamiden für die Stützringe 19 bzw. 20 und von Polytetrafluorethylen für den Dichtring 21 eine diesbezüglich mögliche, günstige Materialpaarung darstellt.

Claims

1. Servolenkung für Kraftfahrzeuge mit koaxialer Gehäuseführung für eine angetriebene Schneckenwelle und für einen über eine Kugelkette gegen die Schneckenwelle axial verschieblich abgestützten, beidseitig druckbeaufschlagbaren Arbeitskolben, sowie mit im Übergang von über den Arbeitskolben getrennten Druckräumen zwischen Schneckenwelle und Arbeitskolben verlaufendem Ringspalt und den Ringspalt überdeckender, in einer Ringnut geführter Ringdichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdichtung als mehrteilige Gleitringdichtung (14) durch zwei im Querschnitt dreiecksförmige, axial zueinander beabstandet gegen die Nutflanken (25, 26) verschieblich abgestützte, spaltüberdeckende Stützringe (19, 20) und einen zwischen die Stützringe (19, 20) keilförmig eingreifenden, gegen den Nutgrund (27) axial verschieblich abgestützten Dichtring (21) gebildet ist.

2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (21) einen einem gleichschenkligen Dreieck angenäherten Querschnitt aufweist.

3. Servolenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (21) einen einem gleichschenkligen Trapez entsprechenden oder angenäherten Querschnitt aufweist.

4. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützringe (19, 20) querschnittsgleich ausgebildet sind.

5. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützringe (19, 20) einen einem rechtwinkligen Dreieck entsprechenden oder angenäherten Querschnitt aufweisen.

6. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützringe (19, 20) aus Kunststoff, insbesondere Polyamid bestehen.

7. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (21) aus Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen besteht.

8. Servolenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (21) aus faserverstärktem Polytetrafluorethylen besteht.

9. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützringe (19, 20) aus einem Werkstoff bestehen, der drucksteifer ist als der für den Dichtring (21) verwendete Werkstoff.