DE10354776A1

DE10354776A1 - Zahnstangenlenkung

Info

Publication number: DE10354776A1
Application number: DE2003154776
Authority: DE
Inventors: Thomas Riepold
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung (10) für Kraftfahrzeuge mit einem drehbar gelagerten Lenkritzel (12), das über eine Verzahnung in einen Zahnbereich (14) einer Zahnstange (16) derart eingreift, dass eine Drehung des Lenkritzels (12) zu einer Verschiebung der Zahnstange (16) in Richtung ihrer Längsachse führt, wobei weiterhin ein Druckstück (18) vorgesehen ist, welches eine Kraft auf die Zahnstange (16) aufbringt, so dass diese in Richtung des Lenkritzels (12) gedrängt wird. Das Druckstück (18) weist ein Federdämpfungselement mit einer progressiven Kennlinie auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung des freien Spiels der Zahnstangenlenkung (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge mit einem drehbar gelagerten Lenkritzel, das über eine Verzahnung in eine Zahnstange derart eingreift, dass eine Drehung des Lenkritzels zu einer Verschiebung der Zahnstange in Richtung ihrer Längsachse führt, wobei weiterhin ein Druckstück vorgesehen ist, welches eine Kraft auf die Zahnstange aufbringt, so dass diese in Richtung des Lenkritzels gedrängt wird.

Eine gattungsgemäße Zahnstangenlenkung ist beispielsweise aus der US 6,119,540 , der DE 43 02 309 A1 oder der DE 10 107 740 A1 bekannt.

Derartige Zahnstangenlenkungen werden seit langem in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Bei Zahnstangenlenkungen wird allgemein das Lenkdrehmoment ausgehend vom Lenkrad über eine Lenksäule und einem Lenkritzel in die Lenkung eingeleitet. Das Lenkritzel steht dabei in Eingriff mit einem gezahnten Abschnitt der Zahnstange und wandelt die Drehbewegung des Lenkrades in eine Linearbewegung zur Verschwenkung der gelenkten Räder um.

Das Lenkritzel und die Zahnstange dürfen im Eingriff kein merkliches Spiel aufweisen. Zur Vermeidung von Spiel im Verzahnungseingriff wird üblicherweise ein Druckstück verwendet, welche die Zahnstange gegen die im Betrieb wirkenden Verzahnungskräfte auf das Ritzel drückt. Dies ist elastisch gelagert und zumeist mit einer Feder belastet, um die durch die Herstellung bedingten Höhentoleranzen in der Verzahnung von Ritzel und Zahnstange auszugleichen.

Da bei starken Stößen die Kräfte, die das Lenkritzel und die Zahnstange auseinander treiben, die Kräfte des Federelementes übersteigen, ist ein Endanschlag vorgesehen, der üblicherweise durch die der Zahnstange abgewandten Seite des Druckstückes gebildet wird. Üblicherweise befindet sich auch auf dieser Seite des Druckstückes die Feder. Bei Normalbelastung wird also lediglich das Druckstück über die Feder gegen eine ortsfeste Fläche gedrückt und entsprechend bei einem Belastungswechsel wieder zurückgetrieben. Bei sehr hohen und bei Stoß-Belastungen wird die Federkraft überwunden und die Rückseite des Druckstückes kommt mit der ortsfesten gegenüberliegenden Fläche in Kontakt, wodurch eine weitere Bewegung des Druckstückes ausgeschlossen ist. Die Bewegung des Druckstücks ist also über die Federkraft und das Spaltmaß zur ortsfesten Fläche einstellbar, es hat sich eine Strecke von etwa 0,15–0,2 mm als ausreichend erwiesen.

Das Auseinanderbewegen von Zahnstange und Ritzel kann auf diese Weise nicht effektiv verhindert werden. Eine verstärkte Federkraft führt zu einer erhöhten Reibung, wohingegen eine geringe Federkraft dazu führt, dass das Druckstück schon bei geringer Belastung an der ortsfesten Fläche anschlägt. Das Spiel des Druckstücks kann auch nicht weiter verringert werden, da ein Mindestwert nicht unterschritten werden darf, der in etwa der Summe der Höhentoleranzen der Verzahnungen von Ritzel und Zahnstange entspricht. Wird dieser Mindestwert unterschritten, so äußert sich der derart gestörte Zahneingriff in Haken und Klemmen der Lenkung, lokal oder über die gesamte Länge der Zahnstange. Dies würde wiederum zu erhöhtem Verschleiß der entsprechenden Bauteile und Beeinträchtigungen bei der Lenk barkeit des Fahrzeugs führen.

Ein weiteres wesentliches Problem ist die Geräuschentwicklung. Aufgrund des Aneinanderschlagens des Lenkritzels mit der Zahnstange und des Druckstücks mit der ortsfesten Fläche kommt es zu erheblichen Geräuschentwicklungen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn elektromechanisch verstärkte Lenksysteme verwendet werden, so genannte EPAS-Systeme. In derartigen Systemen hat das Lenkritzel die gesamte Last der Zahnstange zu tragen, so dass Separationskräfte deutlich höher sind als in hydraulisch betriebenen Lenksystemen. Bei einem gewöhnlichen Druckwinkel von 25° betragen die Separationskräfte beispielsweise etwa 42% der Kräfte der Zahnstange. Dies bedeutet, dass auch bei geringen Zahnstangenkräften hohe Kräfte auf das Federelement wirken.

Die Geräuschentwicklung ist in erster Linie auf zwei Quellen zurückzuführen, nämlich dadurch dass das Druckstück auf die ortsfeste Fläche (meist ein Druckstückdeckel) trifft und die Lenkritzelzähne mit den Zahnstangenzähnen zusammenprallen. Diese Geräusche treten besonders bei Fahrten auf unebener Fahrbahn mit hohen wechselseitigen Stoßbelastungen und bei schnellen, oszillierenden Lenkbewegungen mit kleinen Lenkwinkeln auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Die Lenkung soll zum einen möglichst verschleißfrei und kostengünstig herstellbar sein, zum anderen soll sie eine möglichst geringe Geräuschentwicklung des Betriebes aufweisen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Druckstück ein Federdämpfungselement mit einer progressiven Kennlinie aufweist.

Die Anmelderin hat erkannt, dass es nur mit einem solchen Federdämpfungselement möglich ist, eine geringe Vorspannung für eine minimierte Reibung, einen angemessenen Federweg zur Kompensation von Fertigungs toleranzen, eine hohe Steifigkeit gegen Separationskräfte und einen möglichst sanften Endanschlag zur Vermeidung von Geräuschen durch das Anschlagen des Druckstücks am Druckdeckel zu erreichen. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil diese Anforderungen an den Aufbau der Zahnstangenlenkung im Wesentlichen gegensätzlich sind. Im Stand der Technik war es bisher nur möglich, lediglich eine oder zwei der genannten Anforderungen umzusetzen, und dabei die anderen Anforderungen zu vernachlässigen bzw. in diesen Bereichen Nachteile in Kauf zu nehmen.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung besteht das Federdämpfungselement aus einem elastomeren Material. Dieser Elastomer ist entweder in die der Zahnstange abgewandten Seite des Druckstücks integriert oder aber im Druckstück selbst. Es befindet sich also zwischen dem Druckstück und dem Druckstückdeckel. Wesentlich ist, dass der Elastomer teilweise in das Bauteil eingebettet ist und nur ein gewisser Betrag in Richtung des Drucks- oder des Druckstückdeckels vorsteht. Dabei ist der Elastomer derart eingebettet, dass er bei Kontakt mit der Gegenfläche in einen geschlossenen Raum hineingezwängt wird, wobei zunächst ein freies Ausweichen durch eine elastische Verformung des Elastomers möglich ist und anschließend innerhalb des geschlossenen Raumes lediglich eine begrenzte Komprimierung des Materials erfolgen kann. In der beschriebenen Ausführungsvariante wird also zunächst bei einer Bewegung des Druckstücks in Richtung des Druckstückdeckels der überstehende Bereich des Elastomers verformt und in die Ausnehmung, in der er sich befindet, hineingezwängt. Bei dem ersten Verformungsschritt ist es möglich, dass der Elastomer seitlich ausweicht und den dafür vorgesehenen Freiraum ausfüllt. Im zweiten Verdichtungsschritt ist dies nicht mehr möglich, da die Ausnehmung, in der er sich befindet, ein geringfügig kleineres Volumen aufweist, als der Elastomer selbst, er hat also keinen Freiraum innerhalb der Ausnehmung, in den er sich hineinzwängen könnte. Der Verbund aus Elastomer und dem ihn stützenden Bauteil ist so ausgelegt, das selbst bei voller Belastung der Elastomer noch geringfügig aus seiner Aufnahme heraussteht. Diese Anord nung bewirkt, dass die geforderten Eigenschaften erreicht werden können. Insbesondere wird durch die Materialverformung im zweiten Verformungsschritt erreicht, dass ein wirkungsvoller so genannter Softstopp entsteht, der ein Aufeinanderschlagen von Druckstück und Druckstückdeckel verhindert.

Wesentlich ist also, dass der Elastomer keinen Freiraum in seiner Umgebung hat, in den er ausweichen kann, wenn er vollständig komprimiert wird. Nur auf diese Weise kann die erforderliche sehr stark progressive Kennlinie erreicht werden. Außerdem führt die an den Querschnitt des Elastomers angepasste Ausnehmung dazu, dass der Elastomer eine deutlich längere Haltbarkeit aufweist.

Beispielsweise kann der Elastomer ringförmig in Form eines O-Rings ausgebildet sein, der in einer Nut mit einem kreisförmigen Querschnitt eingebettet ist und bereichsweise aus dieser hervorsteht. Der Elastomer kann allerdings auch jede andere beliebige Form aufweisen, er kann beispielsweise in Form eines Blocks ausgeführt sein. Wesentlich ist, dass er die progressive Kennlinie dadurch erreicht, dass er zunächst frei verformbar und anschließend lediglich begrenzt weiter komprimierbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung steht der Elastomer nicht über die Rückseite bzw. seiner Ausnehmung hervor, sondern es wird ein Bereich des Deckels in die Ausnehmung hinein gedrückt, in der sich der Elastomer befindet. Die Ausnehmung weist in diesem Fall einen etwas größeren Querschnitt als der Elastomer auf. Durch Eindrücken des vorstehenden Bereichs des Gegenstücks in die Ausnehmung hinein wird der Elastomer zunächst innerhalb seiner Ausnehmung verformt und in Richtung der Wände der Ausnehmung gedrückt. Wenn er diese erreicht hat, findet lediglich eine weitere Komprimierung des Materials, ohne weitere Ausbreitung des Materials, statt.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform befindet sich die Ausnehmung mit dem Elastomer nicht auf der Rückseite des Druckstücks, sondern auf der dieser gegenüberliegenden Fläche des Druckstückdeckels. Weitere Anordnungen sind denkbar, bei der die stark progressive Kennlinie des Elastomers in der erfindungsgemäßen Ausnehmung erreichbar ist.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht auch darin, dass der Elastomer ein fester Bestandteil des Druckstücks ist und somit der Einbau einfach und schnell erfolgen kann. Der Elastomer, beispielsweise ausgeführt als O-Ring, wird zunächst in seiner Ausnehmung eingedrückt und das Druckstück dann in die Zahnstangelenkung eingebaut. Dies ist erheblich einfacher, als der Einbau einer Feder auf der Rückseite des Druckstücks.

Versuche haben gezeigt, dass die Geräuschentwicklung durch einen solchen Elastomer erheblich reduziert wird. Dies ist in erster Linie auf die Softstoppeigenschaft zurückzuführen. Das freie Spiel wird durch den Bereich des Elastomers bestimmt, der im ersten Verformungsschritt frei verformen kann. Diese Verformung ist deutlich einfacher zu bewirken, als eine Komprimierung des Materials. Somit kann über die Materialauswahl und die Bestimmung des sich frei verformbaren Anteils eine exakte Voreinstellung des Systems vorgenommen werden. Das Druckstück befindet sich vorteilhafterweise ständig in Kontakt mit dem Elastomer und ist somit stets um einen gewissen Betrag vorgespannt. Der Softstopp ersetzt den festen Endanschlag und verhindert die damit zusammenhängenden Geräusche.

Weiterhin ist es möglich, mit einer besonders vorteilhaften und einfachen Meßmethode eine Voreinstellung bzw. Kontrolle der Vorspannung der Zahnstange in Richtung des Lenkritzels vorzunehmen. Zu diesem Zweck wird im eingebauten Zustand an einem freien Ende der Zahnstange eine bestimmte Kraft aufgebracht und die Zahnstange vom Lenkritzel weg und auf dieses zubewegt. Der Bewegungsbetrag der Zahnstange wird gemessen und es kann somit die Verspannung des Druckstücks bestimmt werden. Sollte sich bei der Messung ergeben, dass ein gewünschter Wert nicht erreicht wird, kann durch Andrehen des Druckstückdeckels eine Änderung erreicht werden. Durch Anziehen des Deckels wird die Verspannung des Druckstücks erhöht und somit die Bewegungsmöglichkeit der Zahnstange vom Ritzel weg eingeschränkt, durch Lösen des Deckels wird sie verringert und somit der Bewegungsbereich von Druckstück und Zahnstange erweitert.

Dieses Verfahren bedeutet eine erhebliche Erleichterung gegenüber den bekannten Verfahren. Bei diesen wird nämlich zunächst der Deckel fest angezogen (mit einem vorbestimmten Drehmoment). Es wird dann ein zuvor bestimmter Lösewinkel eingestellt. Diese Meßmethode bzw. Voreinstellungsmethode ist ungenau, da aufgrund von Gewindereibung, Fertigungstoleranzen und bei Gebrauch einer Kontermutter niemals ein exaktes Ergebnis erreichbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren jedoch misst die tatsächlichen Bedingungen durch die Bewegungen der Zahnstange und kann damit ein exaktes Ergebnis gewährleisten. Auch erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ein direktes Überprüfen der Werte für die Vorspannung bzw. Spiel des Druckstücks, was bei dem anderen o. g. Einstellverfahren nicht möglich ist. Dieses vorteilhafte Verfahren ist nicht nur für die erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung verwendbar, es ist vielmehr für nahezu alle bekannten Zahnstangenlenkungen mit Federn und Federdämpfungselementen einsetzbar. Es würde deshalb eine spätere Teilung der Anmeldung bezüglich dieses Verfahrens vorbehalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in der Beschreibung und in den Unteransprüchen enthalten.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
1: eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung im Schnitt,
2: Kennlinie der erfindungsgemäßen Federdämpfung,
3: Prinzipdarstellung und Kennlinie eines seitlich nicht eingefassten Elastomers,
4: Prinzipdarstellung und Kennlinie eines vollständig eingefassten Elastomers,
5: Prinzipdarstellung und Kennlinie eines Elastomers, der in einer Ausnehmung eingefasst ist, die einen anderen Querschnitt als der Elastomer aufweist,
6: Prinzipdarstellung und Kennlinie des erfindungsgemäßen Elastomers,
7: Prinzipdarstellung zur Erläuterung eines Meßverfahrens des Spiels der Zahnstangenlenkung.
8: Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Zwischenelementes im Schnitt.
9: Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen weiteren Zwischenelementes im Schnitt.
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung den maßgeblichen Bereich Zahnstangenlenkung 10 im Schnitt. Ein Lenkritzel 12 greift mit seinen Zähnen in einen Zahnbereich 14 einer Zahnstange 16. Im unbelasteten Zustand befinden sich die Zähne des Lenkritzels 12 mit dem Zahnbereich 14 in Eingriff, wird jedoch die Lenkung betätigt, werden die beiden Bauteile auseinander getrieben. Dies ergibt sich zwangsweise dadurch, dass die Zähne des kreisförmigen Lenkritzels 12 auf dem geraden Zahnbereich 14 abrollen und weiterhin, durch Stoßbelastungen und Fertigungstoleranzen. Die im Verzahnungseingriff wirkenden Separationskräfte führen dazu, dass unter Belastung Spiel zwischen Ritzel und Zahnstange entstehen kann, was insbesondere bei Stoß- und Wechselbelastung zu einer erheblichen Geräuschentwicklung und im schlimmsten Fall zu Eingriffsstörungen führen kann. Dieser Ef fekt tritt insbesondere bei manuellen und elektrisch hilfsskraftunterstützten Zahnstangenlenkungen (EPAS) auf. Deswegen ist es notwendig, die beiden Bauteile durch Federkraft gegeneinander abzustützen, so dass die Separationskräfte ausgeglichen werden können.
Durch eine vorgespannte Feder wird im Stand der Technik die Zahnstange 14 in Richtung des Lenkritzels 12 gedrückt. Hierzu wird auf der dem Lenkritzel 12 abgewandten Seite Zahnstange 16 ein Druckstück 18 eingesetzt, welches die Zahnstange 16 in Richtung des Lenkritzels 12 drückt. Das Druckstück 18 weist einen Druckstückdeckel 20 auf, der ortsfest in der Zahnstangenlenkung 10 eingebaut ist. Erfindungsgemäß wird, wie in 1 dargestellt, anstelle einer üblichen Feder ein Elastomer 22, der sich in einer Ausnehmung 24 befindet, die wiederum auf der den Lenkritzel 12 abgewandten Rückseite 26 des Druckstücks 18 angeordnet ist, verwendet. Ein vorstehender Bereich 28 des Elastomers 22 befindet sich mit einer Druckfläche 30 des Druckstückdeckels 20 in Kontakt. Der Elastomers 22 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ringförmig, entsprechend einem O-Ring ausgeführt.
Anhand der 2, 3, 4, 5 und 6 wird im Folgenden die erfindungsgemäße Ausführung der Zahnstangenlenkung 10 bzw. des Federdämpfungselementes erläutert. 2 zeigt eine Kennlinie eines idealen Federdämpfungselementes. Auf der X-Achse aufgetragen ist der Weg, um den das Federdämpfungselement vorgespannt ist, bzw. der Betrag, um den sich die Zahnstange gegenüber Ausgangslage vom Lenkritzel entfernt. Punkt 36 stellt den Vorspannpunkt des Federdämpfungselementes dar, mit der zugehörigen Vorspannkraft F_v und dem Vorspannweg S_v. An diesem Vorspannpunkt 36 sollte nur eine geringe Kraft auf die Zahnstange wirken. Dies ist in der Mittellage der Lenkung von Bedeutung, wo eine geringe Reibung gefordert ist, um bei Geradeausfahrt feinfühlige Lenkkorrekturen zu ermöglichen, und einen präzisen Rücklauf zu erreichen. Es folgt ein Arbeitsbereich 38, in dem die durch das Federdämpfungselement aufzubringende Kraft progressiv ansteigen sollte.
Dieser Arbeitsbereich ist dann maßgebend, wenn das Fahrzeug gelenkt wird und wenn Erschütterungen auftreten. In diesem Arbeitsbereich sollten noch geringe Axialbewegungen des Druckstücks und somit der Zahnstange vom Ritzel weg möglich sein, um Höhentoleranzen des Verzahnungseingriffs auszugleichen. Dies ist notwendig, um ein Klemmen der Verzahnung bzw. unerwünschte Schwankungen des Ritzeldrehmomentes zu verhindern, wie es bei einer starren Lagerung des Druckstücks der Fall wäre.
Zugleich soll unter Last und insbesondere bei Stoßbelastung die Separation von Ritzel und Zahnstange auf ein Minimum reduziert werden. Dies geschieht durch eine entsprechend abgestimmte Federkennlinie des Federdämpferelementes.
Im anschließenden Anschlagbereich sollte die Federkraft innerhalb eines möglichst kurzen Weges stark ansteigen, um insbesondere bei Stoßbelastung die Separation bzw. das Verzahnungsspiel zwischen Lenkritzel und Zahnstange zu minimieren. Dies verhindert die sonst auftretenden Klappergeräusche auf unebenen Fahrbahnen, welche durch das Aufeinanderschlagen der Zahnflanken bei wechselnder Stoßbelastung entstehen. Der Übergang vom Arbeitsbereich zum Anschlagsbereich kann fließend oder auch gestuft erfolgen. Der beim Stand der Technik übliche starre Endanschlag ist jedoch zu vermeiden, da dieser wiederum zu Geräuschen und führen würde. Deswegen ist der Begrenzungsbereich 40 ein so genannter Softstoppbereich, bei dem die Kraft zwar stark zunimmt, ein starrer Endanschlag jedoch nicht vorhanden ist.
3 zeigt einen Elastomer mit einem kreisförmigen Querschnitt, der seitlich nicht geführt bzw. in seiner Bewegungsmöglichkeit seitlich nicht begrenzt ist. Die Federkennlinie verläuft erst bei starker Verformung leicht progressiv, weist aber bei weitem nicht die geforderte starke Progressivität auf. Die zudem auftretenden starken relativen Verformungen führen zu Problemen mit der Dauerhaltbarkeit.
4 verdeutlicht im Vergleich dazu das Verhalten eines Elastomers 22, der vollständig durch die Ausnehmung 24 eingefasst ist. In diesem Fall ist der Anstieg der Reaktionskraft des Elastomers 22 sehr steil. Dies ist dadurch begründet, dass der Elastomer nicht ausweichen kann und in die geschlossene Ausnehmung 24 gezwängt wird. Die Aufnahme der Separationskraft erfolgt ausschließlich durch seine Komprimierung.
Beide oben genannten Verhältnisse eignen sich soweit nicht für eine optimale Federdämpfung einer Zahnstangenlenkung 10 (vergl. 2). Die geforderte Kennlinie kann mit keiner der beiden Anordnungen erreicht werden.
5 zeigt eine Kombination der beiden vorangegangenen Systeme. Der Elastomer 22 befindet sich in einer Ausnehmung 24, steht jedoch über diese hervor. Außerdem weist die Ausnehmung 24 einen rechteckigen Querschnitt auf, der Elastomer 22 dagegen einen kreisförmigen Querschnitt. Diese Anordnung ist die übliche Anordnung eines O-Rings in einer Nut. Dies führt dazu, dass sich der Elastomer 22 zunächst verformen kann, nämlich im vorstehenden Bereich 28 und später in freie Volumina 42 innerhalb der Ausnehmung 24 hinein. Die sich daraus ergebende Kennlinie weist zwar einen entsprechenden exponentialen Anstieg auf, dieser ist jedoch zu flach. Deshalb ist auch diese Ausführungsform nicht geeignet, eine optimale Federdämpfung zu gewährleisten (vergl. 2). Zudem führen die sehr hohen lokalen relativen Elongationen zu Problemen bei der Dauerhaltbarkeit.
In 6 ist nun ein erfindungsgemäßes Federdämpfungselement mit progressiver Kennlinie dargestellt. Wesentlich ist, dass die Ausnehmung 24 in der sich der Elastomer 22 befindet, in etwa den gleichen Querschnitt wie der Elastomer 22 selbst aufweist. Weiterhin muss eine anfängliche freie Verformbarkeit des Elastomers 33 möglich sein. Deshalb ist es sinnvoll, wenn der Elastomer 22 einen vorstehenden Bereich 28 aufweist, der über die Ausnehmung 24 vorsteht. Somit ist es möglich, in einer Anfangsphase den Elastomer 22 im vorstehenden Bereich 28 zu verformen, wodurch der Separa tionskraft nur eine geringe Kraft entgegengesetzt wird. Dies ist genau der Zustand, der im Vorspannungsbereich 36 (vergl. 2) benötigt wird. Je stärker die aufgebrachte Kraft wirkt, desto geringer wird die Möglichkeit der Deformation, bis sie schließlich innerhalb der Ausnehmung 24 auf eine reine Komprimierung beschränkt ist. Es ergibt sich deswegen exakt die gewünschte Kennlinie. Dies bedeutet, dass auch der für die normalen Lenkbewegungen erwünschte Arbeitsbereich 38 gegeben ist, der dann in den Begrenzungsbereich 40 übergeht. Die erfindungsgemäße Anordnung weist damit einen Softstopp auf, der ein hartes Anschlagen des Druckstücks 18 am Druckstückdeckel 20 verhindert.
Somit ist ein Ausgleich der Höhentoleranzen der Verzahnung durch Axialbewegung des Druckstücks bzw. der Zahnstange vom Ritzel weg möglich. Gleichzeitig werden Klappergeräusche durch die Separation der Verzahnung von Zahnstange und Lenkritzel durch einen schnellen Kraftanstieg bereits bei kleinen Wegen verhindert. Die Vorspannung mit der die Zahnstange in unbelastetem Zustand gegen das Ritzel gepresst wird, kann dadurch ebenfalls minimiert werden, wodurch die Reibung in der Lenkung reduziert werden kann.
Wie bereits oben ausgeführt, kann der Elastomer 22 jede beliebige Form aufweisen, entscheidend ist lediglich, dass die Form des Elastomers 22 mit der Ausnehmung 24 korrespondiert. Dementsprechend ist die Anordnung eines einzelnen, mehrerer, ringförmiger, kugelförmiger oder rechteckiger Elastomere 22 beispielsweise möglich. Auch ist die Anordnung des Elastomers 22 frei wählbar, solange er bewirkt, dass das Lenkritzel und die Zahnstange aufeinander zu bewegt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, die Ausnehmung 24 im Druckstückdeckel 20 vorzusehen.
7 verdeutlicht weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung und Messung des freien Spiels der Zahnstange 16 bzw. Vorspannung des Druckstücks. Dazu wird die Zahnstange 16 mit einer definierten Mess last zu und vom Lenkritzel weg bewegt und der Ausschlag an einer definierten Messstelle 44 gemessen. Diese Messstelle 44 weist einen definierten Abstand zum Druckstück 18 auf, woraus sich Weg und Kraft im Bereich des Druckstücks 18 leicht berechnen lassen. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass dieses erfindungsgemäße Messverfahren auch für Zahnstangenlenkungen 10 nach dem Stand der Technik möglich ist.
Die 8 und 9 zeigen zwei weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Zahnstangenlenkung 10. Zwischen dem Elastomer 22 und dem Druckstückdeckel 20 ist ein Zwischenelement 46 angeordnet, dass die in Richtung des Elastomers wirkenden Kräfte auf einen Mittelpunkt der Rückseite 26 lenkt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Zwischenelement 46 eine in Richtung der Druckfläche 30 weisende Wölbung 48 aufweist. Ein derartiges Zwischenelement 46 erlaubt es, nicht zu vermeidende Verkantungen bzw. Ausrichtungsfehler der Rückseite 26 zur Druckfläche 30 auszugleichen. Alternativ kann die Wölbung 48 auch an dem Druckstückdeckel 20 vorgesehen sein, sie ist dann in Richtung des Druckstücks 18 gewölbt. Das Zwischenelement ist dann als gerader Steg ausgebildet.
Auch dieses Zwischenelement ist mit Federdämpfungselementen nach dem Stand der Technik einsetzbar und nicht nur auf die Verwendung mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführung beschränkt.
Die Erfindung umfasst alle gleich wirkenden Ausführungsvarianten. Die Beschreibung und auch die Zeichnungen sind deshalb nur beispielhaft zu verstehen und sollen helfen, das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen.

Claims

Zahnstangenlenkung (10) für Kraftfahrzeuge mit einem drehbar gelagerten Lenkritzel (12), das über eine Verzahnung in einen Zahnbereich (14) einer Zahnstange (16) derart eingreift, dass eine Drehung des Lenkritzels (12) zu einer Verschiebung der Zahnstange (16) in Richtung ihrer Längsachse führt, wobei weiterhin ein Druckstück (18) vorgesehen ist, welches eine Kraft auf die Zahnstange (16) aufbringt, so dass diese in Richtung des Lenkritzels (12) gedrängt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (18) ein Federdämpfungselement mit einer progressiven Kennlinie aufweist.
Zahnstangenlenkung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federdämpfungselement durch einen Elastomer (22) gebildet ist, der derart ausgeführt und angeordnet ist, dass er zunächst um einen vorbestimmten Betrag frei verformbar und anschließend lediglich begrenzt komprimierbar ist.
Zahnstangenlenkung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomer (22) in einer Ausnehmung (24) angeordnet ist und über diese vorsteht, wobei – die Ausnehmung (24) einen Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt des sich in der Ausnehmung (24) befindlichen Bereichs des Elastomers (22) entspricht, und – der Elastomer (22) dann, wenn sich die Zahnstange (14) in die von dem Lenkritzel (12) wegweisende Richtung bewegt, in die Ausnehmung (24) gezwängt wird.
Zahnstangenlenkung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomer (22) in einer Ausnehmung (24) angeordnet ist, wobei – die Ausnehmung (24) einen Querschnitt aufweist, der der Form des Querschnitt des Elastomers (22) im Wesentlichen entspricht, jedoch größere Abmessungen aufweist, und – der Elastomer (22) dann, wenn sich die Zahnstange (14) in die von dem Lenkritzel (12) wegweisende Richtung bewegt, innerhalb der Ausnehmung (22) zunächst verformbar, und dann, wenn er an Innenwänden der Ausnehmung zur Anlage kommt, begrenzt komprimierbar ist.
Zahnstangenlenkung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomer (22) in Form eines Ringes mit kreisförmigem oder beliebigem anderen Querschnitt ausgeführt ist.
Zahnstangenlenkung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomer (22) zwischen einer Rückseite (26) des Druckstücks (18) und einer Druckfläche (30) eines Druckstückdeckels (20) angeordnet ist.
Zahnstangenlenkung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (24) in der Rückseite (26) befindet.
Zahnstangenlenkung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elastomer (22) und der Druckfläche (30) ein Zwischenelement angeordnet ist, dass die in Richtung des Elastomers (22) wirkenden Kräfte auf einen Mittelpunkt der Rückseite (26) lenkt.
Zahnstangenlenkung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (46) eine in die vom Elastomer (22) wegweisende Richtung weisende Wölbung (48) aufweist. (Ausgleich von Winkelfehlern).
Verfahren zur Bestimmung eines freien Spiels bzw. der Vorspannung einer Zahnstangenlenkung (10) für Kraftfahrzeuge mit einem drehbar gelagerten Lenkritzel (12), das über eine Verzahnung in einen Zahnbereich (14) einer Zahnstange (16) derart eingreift, dass eine Drehung des Lenkritzels (12) zu einer Verschiebung der Zahnstange (16) in Richtung ihrer Längsachse führt, wobei weiterhin ein Druckstück (18) vorgesehen ist, welches eine Kraft auf die Zahnstange (16) aufbringt, so dass diese in Richtung des Lenkritzels (12) gedrängt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – an einer bestimmten Messstelle (44) der Zahnstange (16), die einen definierten Abstand zum Lenkritzel (12) aufweist, eine bestimmte Kraft derart aufgebracht wird, dass die Zahnstange (16) auf das Lenkritzel (12) zu und von diesem weg bewegt wird, – ein Ausschlag der Zahnstange (16) an der definierten Messstelle (44) gemessen wird, und – das die Vorspannung und Spiel im Bereich des Druckstücks (18) berechnet wird.