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Die in dieser Patentanmeldung beschriebene
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein fassförmiges Ritzel
und eine Methode für
dessen Eingriff in eine Zahnstange.
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Ritzel-getriebene elektrische Lenkgetriebe werden
häufig
in Kraftfahrzeugen verwendet. Sowohl Lenkgetriebe mit einem Ritzel
als auch solche mit doppelten Ritzeln werden in Kombination mit
einer Zahnstange verwendet. Die Konstruktionen nach dem heutigen
Stand der Technik verwenden zylinderförmige Ritzel sowohl für Anordnungen
mit einem als auch für
solche mit doppelten Ritzeln.
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Das Lenkgetriebe mit doppelten Ritzeln
hat ein durch einen elektrischen Motor angetriebenes Ritzel (das
angetriebene Ritzel) und ein zweites Ritzel, das mittels einer Kupplung
und einer Lenksäule mit
dem Lenkrad verbunden ist (das treibende Ritzel). Sowohl die Zähne des
angetriebenen Ritzels als auch die Zähne des antreibenden Ritzels
sind über einen
Eingriff in verschiedenen Positionen entlang der Zahnstange mit
den Zähnen
der Zahnstange verbun den. Das angetriebene Ritzel führt die
Zahnstange und verursacht die axiale Bewegung der Zahnstange. Verschiedene
räumliche
Anordnungen erfordern manchmal die Ausrichtung jedes der beiden
Antriebs-Ritzel in einem Winkel zueinander, um den Umfang der Zahnstange
herum.
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Die Toleranz für diesen Winkel ist teilweise von
der Toleranz der Zähne
an der jeweiligen Position der Zahnstange abhängig, die mit den jeweiligen Zähnen jedes
der zwei Ritzel in Eingriff stehen. Zusätzlich ist die Toleranz für diesen
Winkel von den axialen Fertigungs-Toleranzen der Gehäuse für die Ritzel-Türme abhängig, die
jedes der Ritzel halten. Wenn die Gehäuse für die Ritzel-Türme nicht
gerade gefertigt sind, ändert
sich der Winkel zwischen den Ritzeln. Wenn dies der Fall ist, ändert sich
das Spiel zwischen den Zähnen
der Zahnstange und den Zähnen
jedes der Ritzel innerhalb eines ungeeignet gefertigten Ritzel-Turm-Gehäuses, da
die Mittellinie (die Achse) nicht mehr senkrecht zur Zahnstange
ist. Daher variiert das Spiel während
der Rotation des Ritzels auf Grund der ungleichmäßigen Anordnung entlang der
Zahnstange.
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Aus diesem Grund muss der Winkel
der zwei Ritzel gegeneinander um den Umfang der Zahnstange herum
sehr genau eingehalten werden, um eine Fehleinstellung im Ritzel-Zahnstangen-Getriebe-Satz
zu vermeiden. Es ist wichtig, eine solche Fehleinstellung zu vermeiden,
da dies zu einem nachtei– ligen
Anwachsen des Drehmoments am Ritzel, zu schlechtem Rücklauf,
verschlechterter Spitze zu Spitze Variation, und Anfälligkeit
für Störgeräusche und
Vibrations-Geräusche
wie Knacken führen kann.
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Die derzeit gebräuchlichen Herstellungsprozesse
für das
Zahn-System einer Zahnstange sind Räumen, Schleifen und Formen.
Nach diesen Prozessen wird ein Wärmebehandlungs-Prozess
vorgenommen, um die Zähne
zu härten,
und manchmal auch, um die Zahnstange selbst zu härten. Die Spannung während der
Wärmebehandlung
erzeugt oft eine Torsions-Spannung und ein Verbiegen der Zahnstange.
Nach dem Prozess der Wärme-Behandlung durchläuft die
Zahnstange einen Richt-Prozess, um die Verdrehung und Verbiegung
zu beheben.
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An einer Zahnstange mit lediglich
einem Bereich für
ein Zahn-System sind die oben genannten Herstellungsprozesse praktikabel,
ohne dass sie außergewöhnliche
Maßnahmen
oder Kosten erforderlich machen. Allerdings müssen bei einer Zahnstange mit
zwei Bereichen für
Zahn-Systeme, und im Besonderen bei einer Zahnstange mit zwei Bereichen für Zahn-Systeme,
die in einem Winkel zueinander um den Umfang der Zahnstange herum
angeordnet sind und die außerdem
manchmal verschiedene Zahnsteigungen besitzen, die Herstellungsprozesse extrem
genau sein. Um diese Genauigkeit während der Herstellung der Ritzel
und der Zahnstange einzuhalten, sind enge Toleranz-Bereiche erforderlich. Dies
erfordert die Verwendung von kostspieligen, zeitaufwendigen, mit
hohen personellen Aufwendungen verbundenen Herstellungsprozessen
und Mess-Einrichtungen von hoher Qualität.
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Eine neue Konstruktion für Ritzel
ist deswegen anzustreben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Ritzel und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das eine
größere Bandbreite
von Ungenauigkeit zwischen der Zahnstange und dem Ritzel-Getriebesatz erlaubt,
um die Notwendigkeit von kostspieligen Herstellungsprozessen mit
hoher Präzision
zu vermeiden.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist im Allgemeinen der Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, ein fassförmiges Ritzel zur Verfügung zu
stellen und eine Methode für
seinen Eingriff in eine Zahnstange.
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In einem Aspekt stellt die Erfindung
ein Ritzel dar, das eine im Allgemeinen fassförmige, mit Zähnen versehene äußere Oberfläche hat,
die sich axial entlang eines Teils des Ritzels erstreckt. Die mit
Zähnen
versehene äußere Oberfläche hat
erste und zweite Enden und einen mittleren Abschnitt. Der Durchmesser
des mittleren Abschnitts ist größer als der
Durchmesser des ersten Endes und größer als der Durchmesser des
zweiten Endes.
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In einem anderen Aspekt bietet diese
Erfindung ein System bestehend aus einer Zahnstange und einem Satz
von doppelten Ritzeln. Das System enthält ein erstes angetriebenes
Ritzel, das durch einen elektrischen Motor angetrieben wird, und
ein zweites antreibendes Ritzel, das mit dem Lenkrad und der Zahnstange
verbunden ist. Das erste angetriebene Ritzel hat eine mit Zähnen versehene äußere Oberfläche. Das
zweite antreibende Ritzel hat eine im Allgemeinen fassförmige, mit
Zähnen
versehene äußere Oberfläche, die
sich axial entlang eines Teils des zweiten antreibenden Ritzels
erstreckt. Die Zahnstange hat eine mit Zähnen versehene äußere Oberfläche. Die
Zähne des
ersten angetriebenen Ritzels greifen in die Zähne der Zahnstange an einer ersten
Position und die Zähne
des zweiten antreibenden Ritzels greifen in die Zähne der
Zahnstangen an einer zweiten Position ein.
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In einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird
eine Methode vorgestellt, um ein Ritzel mit einer Zahnstange in
Eingriff zu bringen. Die Methode weist die folgende Schritte auf:
zuerst wird ein erstes Ritzel mit einer allgemein fassförmigen,
mit Zähnen
versehene äußeren Oberfläche, mit
einem ersten und einem zweiten Ende und einem mittleren Abschnitt
bereitgestellt. Der Durchmesser des mittleren Abschnitts ist größer als
der Durchmesser des ersten Endes und größer als der Durchmesser des
zweiten Endes. Als Nächstes
wird eine Zahnstange mit einer mit Zähnen versehenen äußeren Oberfläche bereitgestellt.
Abschließend
wird die mit Zähnen
versehene, allgemein fassförmige äußere Oberfläche des ersten
Ritzels in Eingriff mit der mit Zähnen versehenen äußeren Oberfläche der
Zahnstange an einer ersten Position gebracht.
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Die vorliegende Erfindung ist zusammen
mit weiteren Merkmalen und Verteilen dieser Erfindung am besten
zu verstehen durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung,
die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist.
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Kurze Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten
verschiedenen Ansichten Erfindung, in der Zeichnung zeigen
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1:
eine Ansicht von vorn für
ein einzelnes, zylindrisches Ritzel nach dem gegenwärtigen Stand
der Technik;
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2:
eine perspektivische Ansicht für
ein System mit doppeltem zylindrischem Ritzel und einer Zahnstange
nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik, worin die doppelten Ritzel parallel zueinander
ausgerichtet sind auf dem Umfang der Zahnstange mit einem Installations-Winkel
von null Grad, gemessen in Richtung P-P, die senkrecht zur Zahnstange
verläuft;
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2a:
eine Ansicht des Ritzels 34, das in 2 gezeigt ist, von vorn;
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2b:
eine Ansicht des Ritzels 30, das in 2 gezeigt ist, von vorn;
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3:
eine perspektivische Ansicht eines Systems mit doppelten zylindrischen
Ritzeln und einer Zahnstange nach dem heutigen Stand der Technik,
worin die doppelten Ritzel in einem Winkel zueinander auf dem Umfang
der Zahnstange ausgerichtet sind;
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3a:
eine Ansicht des Ritzels 86, das in 3 gezeigt ist, von vorn;
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3b:
eine Ansicht des Ritzels 82, das in 3 gezeigt ist, von vorn;
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4:
eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Ritzels nach dem
heutigen Stand der Technik, das in einem Winkel zur Zahnstange ausgerichtet
ist;
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4a:
eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie F-F in 4;
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4b:
eine vergrößerte Ansicht
des Ausschnitts, der im Kreis V in 4a gezeigt
ist;
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4c:
eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie G-G in 4;
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4b:
eine vergrößerte Ansicht
des Ausschnitts, der im Kreis T in 4c gezeigt
ist;
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5:
eine frontale Ansicht einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung für
ein einzelnes fassförmiges
Ritzel;
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6:
eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
für ein
System mit einer Zahnstange und einer doppelten Anordnung von fassförmig gestalteten
Ritzeln, wobei die doppelten Ritzel parallel zueinander angeordnet sind;
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6a:
eine Ansicht des Ritzels 190, das in 6 gezeigt ist, von vorn;
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6b:
eine Ansicht des Ritzels 194, das in 6 gezeigt ist, von vorn;
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7:
eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
für ein
System mit einer Zahnstange und doppelten fassförmig gestalteten Ritzeln, worin
die doppelten Ritzel in einem Winkel zueinander angeordnet sind;
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7a:
eine Ansicht des Ritzels 246, das in 7 gezeigt ist, von vorn;
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7b:
eine Ansicht des Ritzels 242, das in 7 gezeigt ist, von vorn;
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8:
eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
für ein
fassförmiges
Ritzel, das in einem Winkel zur Zahnstange angeordnet ist;
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8a:
eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie J-J in 8, wenn die Zahnstange in einer ersten Position
ist, in der sie null Grad um ihre zentrale Achse gedreht ist;
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8b:
eine vergrößerte Ansicht
des Ausschnitts, der im Kreis R in 8a gezeigt
ist;
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8c:
eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie K-K in 8, wenn die Zahnstange sich in einer zweiten
Position befindet, wo sie ein Grad um ihre zentrale Achse gedreht
ist;
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8d:
eine vergrößerte Ansicht
des Ausschnitts, der in Kreis S in 8c gezeigt
ist;
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9:
eine perspektivische Ansicht einer Zahnstangen-Konstruktion mit
D-förmiger
Gestalt, die eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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10:
eine perspektivische Ansicht einer Zahnstangen-Konstruktion mit
Y-förmiger
Gestalt, die eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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10a:
eine andere perspektivische Ansicht der Ausführung, die in 10 gezeigt ist; und
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11:
ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Methode entsprechend der
vorliegenden Erfindung darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 bis 4 zeigen verschiedene Konstruktionen
für Systeme
bestehend aus zylindrischen Ritzeln und einer Zahnstange nach dem
heutigen Stand der Technik. Wie in 1a gezeigt,
hat das zylindrisches Ritzel 10 eine allgemein zylindrisch
gestaltete äußere Oberfläche 14,
die sich axial entlang des Ritzel 10 erstreckt. Die äußere Oberfläche 14 besitzt Zähne 18,
die sich in einer schraubenförmigen
Anordnung auf dem Umfang 22 befinden. Der Schrauben-Winkel
h kann sich zwischen null Grad und 45 Grad bewegen, gemessen von
der zentralen Achse C-C des Ritzels 10.
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Die 2, 2a und 2b zeigen ein Zahnstangen-Ritzel-System 26 mit
doppelten zylindrischen Ritzeln, das ein erstes, zylindrisches,
antreibendes Ritzel 30 aufweist, das mit dem Lenkrad (nicht
gezeigt) verbunden ist, und ein zweites, zylindrisches, angetriebenes
Ritzel 34 hat, das mit Hilfe eines elektrischen Motors
(nicht gezeigt) angetrieben wird. Die zwei Ritzel 30 und 34 sind
parallel zueinander auf dem Umfang der Zahnstange 58 in
einem Installations-Winkel von null Grad angeordnet, gemessen von der
Linie P-P, die senkrecht zur Zahnstange 58 verläuft. Das
erste, zylindrische, antreibende Ritzel 30 weist eine ganz
allgemein zylindrisch geformte äußere Oberfläche 36 auf,
die axial entlang des antreibenden Ritzels 30 verläuft. Die äußere Oberfläche 36 besitzt
Zähne 38,
die sich entlang seines Umfangs 42 erstrecken. Die Zähne 38 sind
in einem Schrauben-Winkel h, der von null Grad bis 45 Grad reichen kann,
gemessen von der zentralen Achse des Ritzels 30, angeordnet.
In ähnlicher
Weise hat das zweite, zylindrische, angetriebene Ritzel 34 eine
ganz allgemein zylindrisch geformte äußere Oberfläche 46, die sich axial
entlang des angetriebenen Ritzels 34 erstreckt. Die äußere Oberfläche 46 hat
Zähne 50,
die sich entlang des Umfangs 54 erstrecken. Die Zähne 50 sind
in einem Schrauben-Winkel h angeordnet, der von null Grad bis 45
Grad reichen kann, gemessen von der zentralen Achse des Ritzels 34.
Die längs
gestreckte Zahnstange 58 hat eine erste und eine zweite äußere Oberfläche 62 und 64,
die sich axial entlang der Zahnstange 58 erstrecken. Die
erste und die zweite äußere Oberfläche 62 und 64 der Zahnstange 58 haben
jeweils Zähne 66 und 68,
die axial entlang der Zahnstange 58 verlaufend angeordnet
sind. Die Zähne 66 und 68 der
ersten und der zweiten äußeren Oberfläche 62 und 64 können in dieser
Ausführung
verschiedene Umfangs-Verhältnisse
von Zahn zur Zahnstange aufweisen. Die Zähne 38 des ersten,
zylindrischen, antreibenden Ritzels 30 greifen in die Zähne 66 der
ersten äußeren Oberfläche 62 der
Zahnstange 58 an einer ersten Position 70 ein.
Die Zähne 50 des
zweiten zylindrischen angetriebenen Ritzels 34 kämmen mit
den Zähnen 68 der zweiten äußeren Oberfläche 64 der
Zahnstange 58 an einer zweiten Position 74.
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Die 3, 3a und 3b sind identisch zu den 2, 2a und 2b mit der Ausnahme, dass
sie ein System 78 mit zweifachen zylindrischen Ritzeln
und einer Zahnstange zeigen, die ein erstes zylindrisches antreibendes
Ritzel 82 besitzen, das sich in einem Winkel von ∅ Grad
bezogen auf das zweite zylindrische angetriebene Ritzel 86 auf
dem Umfang der Zahnstange 90 befindet. Der Winkel von ∅ Grad
erfordert eine noch engere Toleranz als in 2 und zwar an den ersten und zweiten
Positionen 94 und 98, wo die Zähne 102 des ersten,
zylindrischen, antreibenden Ritzels 82 und die Zähne 106 des
zweiten, zylindrischen, angetriebenen Ritzels 86 in die Zähne 110 und 112 der
Zahnstange 90 eingreifen. Die Zähne 110 und 112 an
den ersten und zweiten Positionen 94 und 98 müssen in
zwei Schritten hergestellt werden. Die Winkel-Toleranzen in diesen
ersten und zweiten Positionen 94 und 98 müssen extrem eng
sein, um eine negative Auswirkung auf die Leistung der Lenkung zu
vermeiden. Weiterhin ist der Toleranz-Bereich noch weiter durch
zusätzliche
Beschränkung
der Toleranz eingeengt, die durch die Installation der Gehäuse-Türme (nicht
gezeigt) gegeben ist, die die Ritzel 82 und 86 halten.
Diese Anforderungen an die Toleranz erfordern eine komplexe und
teure Fertigung bei der Herstellung der Zahnstangen 90.
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4 zeigt
ein zylindrisches Ritzel 114, das in einem Installations-Winkel
i auf dem Umfang der Zahnstange 118 angeordnet ist. Das
Ritzel 114 besitzt Zähne 126 mit
einem Schrauben-Winkel h, der sich von null Grad bis 45 Grad bezogen
auf die Achse C-C des Ritzels bewegt. 4a zeigt
eine querschnittliche Ansicht F-F des Eingriffs der Zähne 122 der
Zahnstange 118 in die Zähne 126 des
Ritzels 114, wenn die Zahnstange 118 sich in einer
Position befindet, die um null Grad um ihre zentrale Achse RC gedreht
ist. 4b zeigt den Abstand 128 zwischen den
Zähnen 122 der
Zahnstange 118 und den Zähnen 126 des Ritzels 114 in
der ersten Position, die im Kreis V der querschnittlichen Ansicht
F-F gezeigt ist. 14. zeigt eine querschnittliche
Ansicht G-G des Eingriffs der Zähne 122 der
Zahnstange 118 in die Zähne 126 des
Ritzels 114, wenn die Zahnstange 118 um ein Grad
um ihre zentrale Achse RC gedreht ist. 4d zeigt den Abstand 130 zwischen
den Zähnen 122 der
Zahnstange 118 und den Zähnen 126 des Ritzels 114 in
der querschnittlichen Ansicht G-G, die im Kreis T gezeigt ist, wenn
die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse RC gedreht ist.
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Um die Toleranz des Winkels zwischen
den doppelten Ritzeln um den Umfang der Zahnstange herum zu bestimmen,
muss die Toleranz jedes der Ritzel-Turm-Gehäuse und die Toleranzen der
Zähne der
Zahnstange in jeder eingreifenden Position approximiert und kombiniert
werden. Um die Summe dieser Toleranzen zu simulieren, wird der Abstand zwischen
den Zähnen
der Zahnstange und den Zähnen
des Ritzels bestimmt, wenn die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale
Achse herum gedreht ist. Die Rotation der Zahnstange um ihre zentrale
Achse RC simuliert die Fertigungs-Toleranzen für die mit Zähnen versehenen Positionen
auf dem Umfang der Zahnstange. Die Testergebnisse zeigen, dass der Abstand 128 (das
Spiel) zwischen den Zähnen 122 der
Zahnstange 118 und den Zähnen 126 der Zahnstange 114 an
der ersten Position, wenn die Zahnstange um null Grad um ihre zentrale
Achse gedreht ist, typischerweise zwei oder dreimal größer ist
als das Spiel 130 zwischen den Zähnen 122 der Zahnstange 118 und
den Zähnen 126 des
Ritzels 114, wenn die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse
C gedreht ist.
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Die Abnahme des Spiels, wenn die
Zahnstange 118 um ihre zentrale Achse 10 gedreht
wird, wird dadurch verursacht, dass die Zähne 122 der Zahnstange 118 sich
näher an
die Zähne 126 des
Ritzels 114 heran bewegen, und zwar wegen der zylindrischen
Form der äußeren Oberfläche des
Ritzels 134 und der ungleichmäßigen Ausrichtung der Zähne 122 der
Zahnstange 118 auf die zentrale Achse des Ritzels 114.
Dies geschieht, weil die äußere Oberfläche 134 des
Ritzels eine zylindrische Form hat, und dadurch die Zähne 126 des
Ritzels 114 in einer konstanten Position hält, obwohl
die Zähne 122 der Zahnstange 118 dazu
gezwungen werden, sich näher
an die Zähne 126 des
Ritzels 114 heran zu bewegen, und zwar wegen der Rotation
der Zahnstange 118 und der ungleichmäßigen Ausrichtung.
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Auf einer Zahnstange mit zwei Bereichen von
Zahn-Systemen, die mit zwei Ritzeln in Eingriff stehen, erfordert
eine Verringerung des Spiels auf Grund der Rotation der Zahnstange,
dass die Fertigungsprozesse sehr genau ausgeführt werden, um die Toleranzen
innerhalb des erforderlichen Bereichs zu halten. Einen weiteren
Einfluss auf das Spiel hat ein Effekt, der als "Zahnstangen-Rollen" bezeichnet wird, und der durch den
Eingriff eines Ritzels mit schraubenförmiger Form in eine Zahnstange
verursacht wird. Beim Zahnstangen-Rollen dreht sich die Zahnstange
während
der axialen Bewegung der Zahnstange leicht um ihre zentrale Achse,
und zwar wegen fehlender Führung
der Zahnstange. Dies geschieht auf Grund von Fertigungs- Toleranzen und Verformung
auf Grund der Wärmebehandlung.
Die Resultate davon sind unterschiedliche Druck-Winkel, unterschiedliche
Schrauben-Winkel
und unterschiedliche Durchmesser der Zahnstange und der Ritzel. Der
Effekt kann in elektrischen Systemen mit einzelnen und doppelten
Ritzeln, elektrischen hydraulischen Systemen, hydraulischen Systemen
und auch den manuellen Lenkgetrieben entstehen. Weiterhin ist in
einem System mit zwei Ritzeln der Toleranz-Bereich auch noch durch
die möglichen
Variationen in der gewünschten
Position der Zähne
der Zahnstange in der ersten und der zweiten Position verändert. Dies ist
auf Grund der Fertigungs-Toleranzen
gegeben, die durch die Genauigkeit des Einspannens während der
Herstellung der Zahnstange entstehen. Es führt dazu, dass zeitaufwändige, komplizierte
und teure Herstellungsprozesse erforderlich sind.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein allgemein fassförmiges
Ritzel vor. Dieses hebt das Problem des Spiels auf, das in zylinderförmigen Ritzeln nach
dem gegenwärtigen
Stand der Technik gegeben ist. Ein allgemein fassförmiges Ritzel
ist als ein Ritzel definiert, das eine allgemein gebogene, axial verlaufende, äußere Kontur
bzw. Oberfläche
hat. Ein allgemein fassförmiges
Ritzel ist weiter dadurch definiert, dass der Durchmesser des allgemein
fassförmigen
Ritzels im Bereich zwischen zwei Enden des Ritzels größer ist
als der Durchmesser an dem jeweiligen Ende des Ritzels.
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5 zeigt
ein allgemein fassförmiges
Ritzel 138. Das fassförmige
bzw. ballige Ritzel 138 hat eine allgemein fassförmige äußere Oberfläche 142,
die sich axial entlang eines Abschnitts 146 des Ritzels 138 erstreckt.
Die äußere Oberfläche 142 hat
allgemein fassförmige
Zähne 150,
entsprechend oder als Ergänzung
zur Gestalt der äußeren Oberfläche 142, die
in einer ganz allgemein schraubenförmigen Form um ihren Umfang 154 herum
angeordnet sind. Der Schrauben-Winkel h der Zähne 150 kann zwischen null
Grad und 45 Grad, gemessen von der zentralen Achse des Ritzels C-C,
liegen. Die Zähne 150 und die äußere Oberfläche 142 definieren
Rillen 152, die zwischen jedem Satz von Zähnen 150 verlaufen.
Die äußere Oberfläche 142 besitzt
ein erstes Ende 158, ein zweites Ende 162 und
einen mittleren Teil 166. Der Durchmesser 174 des
mittleren Teils 166 ist größer als sowohl der Durchmesser 178 des
ersten Endes 158 als auch des Durchmessers 182 des
zweiten Endes 162. Der Querschnitt 170 der äußeren Oberfläche 142 ähnelt ganz
allgemein der Form eines abgerundeten Fasses, insofern als der Querschnitt 170 im
mittleren Teil 166 am größten ist und kontinuierlich zu
sowohl zum ersten Ende 158 als auch zum zweiten Ende 162 hin
abnimmt. In einigen Ausführungen können der
Durchmesser 178 des ersten Endes 158 und der Durchmesser 182 des
zweiten Endes 162 identisch sein. In anderen Ausführungen
kann der Durchmesser 178 verschieden sein vom Durchmesser 182.
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Das allgemein fassförmige Ritzel 138 wird bevorzugt
aus Stahl gefertigt unter Einsatz einer Anzahl von verschiedenen
Prozessen, wie zum Beispiel einem dreidimensionalen Walzfräse-Prozess,
einem Form-Prozess oder einem Schleif-Prozess.
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Die 6, 6a und 6b zeigen ein Zahnstangen-System mit
doppelten Ritzeln 186, das ein allgemein fassförmiges Ritzel 194 hat.
Das Zahnstangen-System
mit doppelten Ritzeln 186 weist ein erstes, allgemein zylinderförmiges,
angetriebenes Ritzel 190, das durch einen elektrischen
Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird, und ein zweites allgemein fassförmiges antreibendes
Ritzel 194 auf, das mit dem Lenkrad (nicht gezeigt) verbunden
ist. In dieser Ausführung
sind das erste, allgemein zylinderförmige, angetriebene Ritzel 190 und
das zweite, allgemein fassförmige,
antreibende Ritzel 194 parallel zueinander entlang der
Zahnstange 218 angeordnet. In anderen Ausführungen
können
das erste, allgemein zylinderförmige,
angetriebene Ritzel 190 und das zweite, allgemein fassförmige, antreibende
Ritzel 194 in einem Winkel zueinander entlang der Zahnstange 218 orientiert
sein.
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Das erste allgemein zylinderförmige Ritzel 190 hat
eine allgemein zylinderförmige äußere Oberfläche 198,
die sich axial entlang des angetriebenen Ritzels 190 erstreckt.
Die äußere Oberfläche 198 besitzt
Zähne 202,
die schraubenförmig
auf dem Umfang 206 angeordnet sind. Das zweite, allgemein fassförmige, antreibende
Ritzel 194 weist eine allgemein fassförmige äußere Oberfläche 298 auf, die sich
axial entlang des antreibenden Ritzels 194 erstreckt. Die
Zähne 210 befinden
sich auf der äußeren Oberfläche 208 ganz
allgemein schraubenförmig
auf dem Umfang 214 des Ritzels. Sowohl für die Zähne 202 des
ersten, allgemein zylinderförmigen
Ritzels 190 und die Zähne 210 des
zweiten, allgemein fassförmigen,
antreibenden Ritzels 194 kann der Schrauben-Winkel h, gemessen
von der Mittelachse C-C jedes Ritzels, im Bereich von null Grad
bis 45 Grad liegen. Die lang gestreckte Zahnstange 218 weist
erste und zweite äußere Oberflächen 222 und 224 auf,
die sich radial und axial auf der Zahnstange 218 erstrecken.
Die Zähne 226 und 228 sind
dabei axial entlang der ersten und zweiten äußeren Oberfläche 222 und 224 der
Zahnstange 218 angeordnet. Die Zähne 226 und 228 können senkrecht
zur zentralen Achse der Zahnstange oder in einem variierenden, schraubenförmigen Winkel
verlaufen, gemessen von der zentralen Achse aus, oder sie können auch
verschiedene Verhältnisse
von Zahn zu Umfang der Zahnstange aufweisen. Die Zähne 202 des
ersten, zylindrischen, angetriebenen Ritzels 190 sind mit
den Zähnen 226 der
Zahnstange 218 an einer ersten Position 230 im Eingriff.
An einer zweiten Position 234 greifen die Zähne 210 des
zweiten, allgemein fassförmigen,
antreibenden Ritzels 194 zwischen die Zähne 228 der Zahnstange 218 ein.
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Die 7, 7a und 7b zeigen ein Zahnstangen-System mit
doppelten Ritzeln 238, das ein allgemein fassförmiges Ritzel 242 hat,
das in einem Winkel A' bezüglich des
Umfangs der Zahnstange 250 zu einem zylindrischen angetriebenen
Ritzel 246 angeordnet ist. Der Winkel A' kann variieren. Die Ritzel 242 und 246 können in
verschiedenen Winkeln gegeneinander angeordnet sein oder sie können in ähnlichen
oder in gegenüberliegenden
Richtungen angeordnet sein. Weiterhin können die Ritzel 242 und 246 an
jeder Position entlang des Umfangs der Zahnstange 250 angeordnet
sein. Die Zähne 254 des
ersten, zylindrischen, angetriebenen Ritzels 246 greifen
zwischen die Zähne 258 der
Zahnstange 250 an einer ersten Position 262 ein.
In gleicher Weise greifen an einer zweiten Position 266 die
Zähne 270 des
zweiten, allgemein fassförmigen,
antreibenden Ritzels 242 zwischen die Zähne 260 der Zahnstange 250 ein.
Die Zähne 254 und 270 der
Ritzel 246 und 242 sind in einer allgemein schraubenförmigen Form
auf dem Umfang der Ritzel angeordnet. Sie können verschiedene Schrauben-Winkel
h aufweisen, die von null Grad bis 45 Grad, gemessen von den Achsen
der Ritzel, variieren können.
Die Zähne 258 der
Zahnstange 250 an der ersten Position 262 können einen Winkel
zu den Zähnen 260 der
Zahnstange an der zweiten Position 266 aufweisen. Außerdem können sie
verschiedene Verhältnisse
von Abmessungen der Zähne
zu Umfang des Ritzels haben. Schließlich können die ersten und zweiten
Positionen 262 und 266 radial oder axial gegeneinander
versetzt sein.
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Um das Spiel zwischen den zylindrischen Ritzeln
nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik und den allgemein fassförmigen Ritzeln der vorliegenden
Erfindung zu vergleichen, zeigt 8 ein
allgemein fassförmiges
Ritzel 274, das in einem Installations-Winkel i zur Zahnstange 278 angeordnet
ist. 8a zeigt einen
Querschnitt J-J des Eingriffs der Zähne 282 der Zahnstange 278 in
die Zähne 286 des Ritzel 274,
wenn die Zahnstange 278 in einer ersten Position ist, die
um null Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist. 8b zeigt das Spiel 290 zwischen den
Zähnen 282 der
Zahnstange 278 und den Zähne 286 des Ritzels 274 in
der ersten Position, die im Kreis R in der Querschnitts-Ansicht
J-J dargestellt ist. 8c zeigt
eine querschnittliche Ansicht K-K des Eingriffs der Zähne 282 der
Zahnstange 278 in die Zähne 286 des
Ritzels 274, wenn die Zahnstange 278 um ein Grad
um ihre zentrale Achse C gedreht ist. 8d zeigt
das Spiel 294 zwischen den Zähnen 282 der Zahnstange 278 und
den Zähnen 286 des Ritzels 274 in
der querschnitt lichen Ansicht K-K, die im Kreis S gezeigt ist, wenn
die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist.
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Die Ergebnisse für das Spiel beim allgemein fassförmigen Ritzel
sind wesentlich verbessert gegenüber
den vorher diskutierten Ergebnissen des Spiels für die allgemein zylinderförmigen Ritzel
nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik. Zum Beispiel hat der Test in einigen Ausführungen
ergeben, dass das Spiel 290 zwischen den Zähnen 282 der
Zahnstange 278 und den Zähnen 286 des Ritzels 274 in der
ersten Position, wenn die Zahnstange um null Grad um ihre zentrale
Achse C gedreht ist, ganz allgemein identisch ist mit dem Spiel 294 zwischen
den Zähnen 282 der
Zahnstange 278 und den Zähnen 286 des Ritzels 274,
wenn die Zahnstange 278 um ein Grad um ihre zentrale Achse
C gedreht ist. Dies liegt daran, dass die äußere Oberfläche 298 des Ritzels
ganz allgemein fassförmige
Gestalt hat, und dadurch der Querschnitt 302 des Ritzels 274 reduziert ist,
wenn man weiter weg vom mittleren Teil 306 ist, während auf
der anderen Seite die Zähne 282 der Zahnstange 278 in
eine Position mehr zu den Zähnen 286 des
Ritzels 274 hin bewegt werden, wenn die Zahnstange 278 rotiert.
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Die verbesserten Ergebnisse bezüglich des Spiels
vermeiden die Notwendigkeit für
sehr teure Herstellungsprozesse bei der Herstellung der Zahnstange.
Dies ist durch die Verringerung der bei der Herstellung erforderlichen
Genauigkeit gegeben. Kleine radiale Winkel-Differenzen in den Zähnen zwischen
Ritzel und Zahnstange werden durch das allgemein fassförmige Ritzel
ausgeglichen. Diese radialen Winkel-Differenzen können auf
Grund von kleinen radialen Abweichungen zwischen dem Ritzel und
der Zahnstange, durch geringe radiale Bewegungen der Zahnstange
um ihre zentrale Achse wegen des Eingriffs in das Ritzel oder ungenaue
Fertigung des Ritzels oder der Zahnstange entstehen. Weiterhin gleichen
die verbesserten Ergebnisse für das
Spiel die Effekte des Zahnstangen-Rollens und Varianzen in den beabsichtigten
Positionen der Zähne
auf der Zahnstange in der ersten und der zweiten Position auf Grund
von Fertigungs-Toleranzen aus.
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9 zeigt
einen eine D-förmige
Zahnstangen-Konstruktion 310, die ein fassförmiges Ritzel 314 auf
dem Umfang der D-förmigen
Zahnstange 318 verwendet. Die Zahnstange 318 wird
als D-förmig
bezeichnet, da sie eine sich allgemein längs erstreckende erste äußere Oberfläche 322 aufweist und
eine zweite allgemein zylindrische äußere Oberfläche 326, die ein D
ausbilden. Wenn das Ritzel 314 in Richtung 330 bezüglich seiner
zentralen Achse C-C rotiert, bewegt sich die Zahnstange 318 in
der axialen Richtung 338, was dazu führt, dass die Zahnstange 318 die
Zahnstangen-Rollbewegung 342 ausführt. Hier gleicht die Verwendung
des fassförmigen Ritzels 314 die
Zahnstangen-Rollbewegung 342 aus.
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Die 10 und 10a zeigen eine Y-förmige Zahnstangen-Konstruktion 346,
die ein fassförmiges Ritzel 315 auf
dem Umfang der Y-förmigen
Zahnstange 354 verwendet. Die Y-förmige Zahnstangen-Konstruktion 346 wird
als Y-förmig
bezeichnet, da sie die Form eines Y besitzt und axial in einem Y-förmigen gabelförmigen Gehäuse läuft. Das
Y-förmige
Gehäuse
verhindert, dass die Y-förmige
Zahnstange 354 die Zahnstangen-Rollbewegung durchführt, da
sie die Zahnstange 354 an der Rotation um ihre zentrale Achse
hindert. Das fassförmige
Ritzel 350 ist dabei vorteilhaft zur Verhinderung von hohen
Drehmomenten auf das Ritzel, schlechtem Rücklauf, und es vermindert die
Notwendigkeit von erhöhten
Lenk- Anstrengungen wegen ungenauen Anpassungen im Getriebe, da
diese durch das fassförmige
Ritzel 350 ausgeglichen werden.
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In 11 wird
eine Methode zum Eingreifen eines Ritzels in eine Zahnstange dargestellt.
Sie beginnt als erster Schritt mit der Bereitstellung eines allgemein
fassförmigen
Ritzels 358. Das Ritzel weist bevorzugt eine mit Zähnen versehene äußere Oberfläche mit
einem ersten und einem zweiten Ende und einen Mittelteil auf. Der
Durchmesser des Mittelteils ist bevorzugt größer als der Durchmesser des
ersten Endes und der Durchmesser des zweiten Endes. Ein zweites
Ritzel mit einer allgemein zylinderförmigen mit Zähnen versehenen äußeren Oberfläche kann
in 362 zur Verfügung
gestellt werden. Als Nächstes
wird eine Zahnstange in 366 bereitgestellt. Die Zahnstange
hat bevorzugt eine mit Zähnen
versehene äußere Oberfläche. Abschließend werden
die Zähne
der allgemeinen fassförmigen, äußeren Oberfläche des
Ritzels in einer ersten Position 370 in Eingriff mit den Zähnen auf
der äußeren Oberfläche der
Zahnstange gebracht. Die Zähne
der allgemein zylinderförmigen, äußeren Oberfläche des
zweiten Ritzels können ebenfalls
in einer zweiten Position 374 in Eingriff mit den Zähnen der äußeren Oberfläche der
Zahnstange gebracht werden. Das allgemein fassförmige Ritzel kann parallel
zum zweiten Ritzel entlang des Umfangs der Zahnstange angeordnet
sein oder es kann in verschiedenen Winkeln in jeder Richtung bezüglich des
zweiten Ritzels auf dem Umfang der Zahnstange angeordnet sein.
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Die vorangehende Beschreibung ist
so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die exakte Konstruktion
oder Methode eingeschränkt
ist, die hier dargestellt und diskutiert wird, sondern dass verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen möglich
sind, ohne dabei vom Geist und Geltungsumfang der Erfindung abzugehen.