DE10314358B4

DE10314358B4 - Zahnstangenlenkung

Info

Publication number: DE10314358B4
Application number: DE10314358A
Authority: DE
Inventors: Uwe Abraham; Peter Jennes
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: DE10314358A1; WO2004087485A1

Abstract

Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkgehäuse (1), in dem eine Zahnstange (4) längsverschieblich gelagert ist, sowie einem mit der Zahnstange (4) kämmenden Ritzel (2) und einem Druckstück, das auf der der Eingriffsseite mit dem Ritzel (2) gegenüberliegenden Seite der Zahnstange (4) angeordnet ist und mit Hilfe einer Feder (7) in axialer Richtung gegen die Zahnstange (4) vorgespannt ist, wobei das Druckstück in seinem Inneren eine der Kontur der Zahnstange (4) angepaßte, drehbare Führungsrolle aufweist, an der die Zahnstange (4) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrolle (13) beidseitig an ihren Außenseiten in radialer Richtung oberhalb und unterhalb ihrer Drehachse (18) durch je ein Radial- und Axialkräfte aufnehmendes Wälzlager gehalten ist, dessen Außenringe (17.1) eine kugelige Außenkontur aufweisen, die wiederum in je einer umgekehrt kugelig ausgebildeten Aufnahmebohrung (12.1) des Druckstücks (12) aufgenommen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkgehäuse, in dem eine Zahnstange längsverschieblich gelagert ist, sowie einem mit der Zahnstange kämmenden Ritzel und einem Druckstück, das auf der der Eingriffsseite mit dem Ritzel gegenüberliegenden Seite der Zahnstange angeordnet ist und mit Hilfe einer Feder in axialer Richtung gegen die Zahnstange vorgespannt ist, wobei das Druckstück in seinem Inneren eine der Kontur der Zahnstange angepaßte, drehbare Führungsrolle aufweist, an der die Zahnstange anliegt.
Derartige Zahnstangenlenkungen sind aus dem Stand der Technik seit langem vorbekannt. Bei diesen Lenkungen wird die Zahnstange in Längsrichtung verschiebbar in einem Lenkgehäuse geführt. Ein in dem Lenkgehäuse drehbar gelagertes Ritzel greift in die Verzahnung der Zahnstange ein und bewirkt bei Drehung der mit dem Ritzel drehfest verbundenen Lenksäule die seitliche Verlagerung der Zahnstange, die wiederum über Spurstangen und Achsschenkel zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder des Kraftfahrzeuges führt, Der Eingriff des Ritzels in die Zahnstange wird spielfrei gehalten, indem ein gegenüber dem Ritzel an der Zahnstange anliegendes Druckstück unter Federvorspannung die Zahnstange gegen das Ritzel drückt. Das Druckstück muß dabei zum einen die erforderliche Anpreßkraft übertragen können und zum anderen eine Lagerfläche bieten, die bei der Verschiebung der Zahnstange auf dem Druckstück keine nennenswerten Reibkräfte und keinen wesentlichen Verschleiß hervorruft.
Ein derart gattungsgemäß ausgebildetes Druckstück ist aus der DE 82 03 943 U1 vorbekannt. Gemäß 4 dieser Vorveröffentlichung wird die rollende Reibung zwischen Zahnstange und Druckstück derart realisiert, indem im Druckstück über ein Wälzlager eine der Kontur der Zahnstange angepaßte Führungsrolle aufgenommen ist. Diese Führungsrolle ist auf einer Tragachse angeordnet, die mit ihren beiden äußeren Enden im Druckstück aufgenommen ist.
Nachteilig dabei ist zum einen, daß aufgrund der wälzgelagerten Führungsrolle ein erhöhter radialer Bauraum beansprucht werden muß. Zum anderen müssen die Aufnahmebohrungen in der Mantelfläche des Druckstückes zur Aufnahme der Tragachse fluchten, da anderenfalls durch eine Schrägstellung der Führungsrolle eine ungleiche Belastung zwischen Druckstück und Zahnstange realisiert ist, die sich negativ auf das Lenkverhalten und die Lebensdauer der Wälzlager auswirken kann.
Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik ist es daher Aufgabe de Erfindung, ein gattungsgemäßes Druckstück für ein Zahnstangenlenkgetriebe bereitzustellen, das sich einerseits relativ einfach fertigen läßt und das andererseits gleiche Belastungsverhältnisse zwischen Druckstück und Zahnstange gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, daß die Führungsrolle beidseitig an ihren Außenseiten in radialer Richtung oberhalb und unterhalb ihrer Drehachse durch je ein Radial- und Axialkräfte aufnehmendes Wälzlager gehalten ist, dessen Außenringe eine kugelige Außenkontur aufweisen, die wieder um in je einer umgekehrt kugelig ausgebildeten Aufnahmebohrung des Druckstückes aufgenommen sind.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß durch die seitlich angeordnete Lagerung der Führungsrolle im Druckstück erheblich radialer Bauraum eingespart werden kann. Ein anderer Vorteil ist dadurch begründet, daß durch die erfindungsgemäße Art der Lagerung der Führungsrolle Radial- und Axialkräfte wesentlich besser aufnehmbar sind und die Rolle radial und axial spielfrei angestellt werden kann. Dies ist von Bedeutung, da während der Übertragung der Bewegung des Ritzels Kräfte auf die Zähne der Zahnstange wirken, die eine erste Komponente in Richtung der Achse der Zahnstange und eine zweite Kraftkomponente in Richtung Druckstück haben. Im Idealfall ist diese zweite Kraftkomponente rechtwinklig zu ersten Kraftkomponente ausgerichtet. Ist dies aber nicht der Fall, zerlegt sich diese zweite Komponente in eine dritte axial gerichtete Teilkomponente, die vom erfindungsgemäß angeordneten Wälzlager problemlos aufgenommen werden kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine Fehlstellung der Tragachse der Führungsrolle, bedingt durch nicht fluchtende Bohrungen im Druckstück, ausgeglichen werden kann. Dies erfolgt derart, daß bei Montage des Druckstückes diese Fehlstellung durch ein Verschieben eines der Lageraußenringe mit seiner kugeligen Außenkontur im Druckstück korrigierbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben.
So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, daß die Wälzlager als einreihige Lager mit zur Drehachse geneigter Hauptbelastungsrichtung wie Schrägnadellager, Schrägkugellager, Kegelrollenlager oder dergleichen ausgebildet sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung nach Anspruch 3 ist vorgesehen, daß der innere und/oder der äußere Lagerring als dünnwandige spanlos hergestellte Teile ausgebildet sind. Diese Herstellungsart macht eine besonders kostengünstige Fertigung in mannigfaltigen Ausführungsvarianten in einfacher Weise möglich.
Nach einem zusätzlichen weiteren Merkmal der Erfindung nach Anspruch 4 soll die innere Laufbahn durch einen dreieckförmigen Ring gebildet sein, dessen geneigte Fläche die Laufbahn für die Wälzkörper stellt.
Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Lagers nach Anspruch 5 liegt darin, wenn die innere Laufbahn durch eine geneigte Fläche der Führungsrolle gebildet ist. in diesem Fall kann kostensparend auf diesen Lagerring verzichtet werden.
Nach einem anderen zusätzlichen Merkmal der Erfindung nach Anspruch 6 soll die Führungsrolle zweiteilig ausgebildet sein, wobei nach Anspruch 7 vorgesehen ist, daß die Führungsrolle auf einer Tragachse angeordnet ist und in einer Teilungsebene ein geschlitzter Distanzring angeordnet ist. Durch diese Gestaltung wird es möglich, daß durch Verändern des axialen Abstandes der beiden Hälften der Führungsrollen zueinander eine gewünschte Vorspannung auf die Lagerung der Führungsrolle einstellbar ist.
Diese Distanzringe sollen mit unterschiedlicher Stärke ausgebildet sein und nach einer Messung entsprechenden Führungsrollen zugeordnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, auftretende Fertigungstoleranzen zwischen Druckstück, Führungsrolle und Wälzlagerung in einfacher Weise auszugleichen.
Schließlich ist nach Anspruch 8 vorgesehen, daß eine Aufnahmebohrung der Tragachse in der Führungsrolle einen abgestuften Durchmesser aufweist. Durch diese einfache Maßnahme läßt sich ein axiales Wandern der Tragachse innerhalb der Führungsrolle verhindern.
Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
1, 2 und 3 einen Längsschnitt bzw. einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäß gelagerte Führungsrolle und
4 einen Längsschnitt durch eine Führungsrolle nach dem bisherigen Stand der Technik.
Zur Darstellung des Gesamtzusammenhanges ist zunächst auf dem Stand der Technik gemäß 4 verwiesen. Diese zeigt eine Gehäuse 1, in dem ein Ritzel 2, das in eine Lenkspindel 3 übergeht, gelagert ist. In die Verzahnung des Ritzels 2 greift die Verzahnung einer Zahnstange 4 ein, die quer zum Ritzel 2 verläuft. Auf der der Eingriffsseite des Ritzels 2 mit der Zahnstange 4 gegenüberliegenden Seite der Zahnstange 4 ist ein Druckstück 5 angeordnet, das die vom Ritzel 2 auf die Zahnstange 4 übertragene Kraft im wesentlichen abstützt. Das Druckstück 5 ist in einer nicht bezeichneten Aufnahmebohrung des Gehäuses 1 untergebracht. Es wird von einer zwischen dem Druckstück 5 und einem starr mit dem Gehäuse 1 verbundenen Deckel 6 angeordneten Feder 7 in Richtung auf die Zahnstange 4 vorgespannt.
Im Druckstück 5 ist eine Führungsrolle 8 untergebracht, die über zwei als Rillenkugellager ausgebildete Wälzlager 9 auf einer Tragachse 10 gehalten ist. Die Tragachse 10 wiederum ist mit ihren beiden gegenüberliegenden Enden im Druckstück 5 in Aufnahmebohrungen 11 gesichert. Liegen diese beiden gegenüberliegenden Aufnahmebohrungen 11 in einer Ebene, also fluchten sie miteinander, so ist erkennbar, daß eine linienförmige Berührung zwischen Zahnstange 4 und Führungsrolle 8 gegeben ist, weil deren jeweilige Gegendruckflächen 4.1 und 8.1 übereinstimmen. Fluchten die beiden gegenüberliegenden Aufnahmebohrungen 11 jedoch nicht, so ist unschwer zu erkennen, daß zwischen Zahnstange 4 und Führungsrolle 8 keine linienförmige Berührung mehr möglich ist, sondern nur eine punktförmige einseitige Berührung erfolgen kann bzw. bei Verlagerung der Zahnstange 4 eine erhöhte permanente Kippmomentbelastung vorliegt. Hier setzt nun die Erfindung an.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Druckstück 12 gezeigt, dessen Führungsrolle 13 aus zwei von einander beabstandeten Teilrollen 13.1, 13.2 gebildet ist. Diese Teilrollen 13.1 und 13.2 sind mit je einer durchgehenden Aufnahmebohrung 14 versehen, in die eine beide verbindende Tragachse 15 eingeführt ist. Zwischen den beiden Teilrollen 13.1, 13.2 ist ein geschlitzter Distanzring 16 auf die Tragachse 15 aufgeschnappt. Die erfindungsgemäße Führungsrolle 13 ist im Druckstück 12 beidseitig mit ihren Außenseiten über ein Radial- und Axialkräfte aufnehmendes Schrägnadellager 17 gehalten. Dieses besteht aus einem äußeren und einem inneren Lagerring 17.1, 17.2, zwischen denen auf nicht näher bezeichneten Laufbahnen in einem Käfig 17.3 geführte Lagernadeln 17.4 abrollen. Das Schrägnadellager 17 ist so ausgebildet, daß die Lagerringe 17.1, 17.2 gegenüber ihrer Drehachse 18, die gleichzeitig die Drehachse der Führungsrolle 13 ist, unter einem Winkel verlaufen, der kleiner als 90° ist, also schräg gestellt sind. Die Hauptbelastungsrichtung der beiden Schrägnadellager 17 ist demnach gegenüber der Drehachse 18 schräggestellt, wobei sich die Normalen der Laufbahnen in der Drehachse 18 treffen, wie die Figur zeigt.
Wie 1 weiter zeigt, ist die Außenseite des äußeren Lagerrings 17.1 mit einer kugeligen, d. h. konvexen Außenkontur versehen, zu der eine entgegengesetzt passende d. h., konkave Kontur der Aufnahmebohrung 12.1 im Druckstück 12 gegeben sein muß. Dadurch wird es möglich, daß bei nicht genau fluchtenden Aufnahmebohrungen 12.1 im Druckstück 12 einer der beiden äußeren Lagerringe 17.1 verschiebbar ist. Der äußere Lagerring weist die kugelige Außenkontur auf, damit sich die Drehachsen von Schrägkugellager 17 und Führungsrolle 13 angleichen können. Stimmen diese überein und hat sich der äußere Lagerring 17.1 den gegebenen Positionen angepaßt, findet während des Betriebs der Lenkung keine Bewegung statt. Die eingestellte Reibung bleibt somit während aller Betriebszustände über die gesamte Lebensdauer in engen Grenzen auf niedrigem Niveau konstant.
Der 1 ist weiter entnehmbar, daß über die axiale Dicke des Distanzringes 16 Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Auch kann auf die Vorspannung der Schrägnadellager 17 eingewirkt werden. Diese wird erhöht, wenn ein Distanzring 16 mit größerer axialer Stärke eingesetzt wird, so daß die beiden Teilrollen 13.1, 13.2 der Führungsrolle 13 weiter voneinander weggerückt sind.
In den 2 und 3 sind geringfügig veränderte Varianten eines Schrägnadellagers 17 dargestellt. In 2 ist der innere Lagerring 17.5 dreieckförmig ausgebildet, wobei dessen geneigte Fläche die Laufbahn für die im Käfig 17.3 geführten Lagernadeln 17.4 bildet. Beim Schrägnadellager 17 gemäß 3 ist auf den Innenring gänzlich verzichtet, da die Laufbahn für die im Käfig 17.3 geführten Lagernadeln 17.4 durch eine schräg gestellte Lauffläche 13.1.1, 13.2.1 der beiden Teilrollen 13.1, 13.2 gebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Ritzel
3: Lenkspindel
4: Zahnstange
4.1: Gegendruckfläche
5: Druckstück
6: Deckel
7: Feder
8: Führungsralle
8.1: Gegendruckfläche
9: Wälzlager
10: Tragachse
11: Aufnahmebohrung
12: Druckstück
12.1: Aufnahmebohrung
13: Führungsrolle
13.1: Teilrolle
13.1.1: Lauffläche
13.2: Teilrolle
13.2.1: Lauffläche
14: Aufnahmebohrung
15: Tragachse
16: Distanzring
17: Schrägnadellager
17.1: äußerer Lagerring
17.2: innerer Lagerring
17.3: Käfig
17.4: Lagernadel
17.5: innerer Lagerring
18: Drehachse

Claims

Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkgehäuse (1), in dem eine Zahnstange (4) längsverschieblich gelagert ist, sowie einem mit der Zahnstange (4) kämmenden Ritzel (2) und einem Druckstück, das auf der der Eingriffsseite mit dem Ritzel (2) gegenüberliegenden Seite der Zahnstange (4) angeordnet ist und mit Hilfe einer Feder (7) in axialer Richtung gegen die Zahnstange (4) vorgespannt ist, wobei das Druckstück in seinem Inneren eine der Kontur der Zahnstange (4) angepaßte, drehbare Führungsrolle aufweist, an der die Zahnstange (4) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrolle (13) beidseitig an ihren Außenseiten in radialer Richtung oberhalb und unterhalb ihrer Drehachse (18) durch je ein Radial- und Axialkräfte aufnehmendes Wälzlager gehalten ist, dessen Außenringe (17.1) eine kugelige Außenkontur aufweisen, die wiederum in je einer umgekehrt kugelig ausgebildeten Aufnahmebohrung (12.1) des Druckstücks (12) aufgenommen sind.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager als einreihige Lager mit zur Drehachse (18) geneigter Hauptbelastungsrichtung ausgebildet sind.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einreihige Lager ein Schrägnadellager (17) mit einem inneren Lagerring (17.2) und/oder dem Außenring (17.1) ist, wobei der innere Lagerring (17.2) und/oder der Außenring (17.1) als dünnwandige spanlos hergestellte Teile ausgebildet sind.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einreihige Lager eine innere Laufbahn aufweist, welche durch einen dreieckförmigen Ring (17.5) gebildet ist, dessen geneigte Fläche die innere Laufbahn stellt.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einreihige Lager eine innere Laufbahn aufweist, welche durch eine geneigte Fläche (13.1.1, 13.2.1) der Führungsrolle (13) gebildet ist.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrolle (13) zweiteilig ausgebildet ist.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrolle (13) auf einer Tragachse (15) angeordnet ist und in einer Teilungsebene ein geschlitzter Distanzring (16) angeordnet ist.
Zahnstangenlenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmebohrung (14) der Führungsrolle (13) zur Aufnahme der Tragachse (15) einen abgestuften Durchmesser aufweist.