DE1040915B - Mit Hilfskraft arbeitende Lenkvorrichtung, insbesondere fuer Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine mit Hilfskraft arbeitende Lenkvorrichtung, bei der eine von Hand betätigte Lenkwelle mittels einer Getriebeverbindung auf eine mit einem Lenkhebel verbundene Querwelle einwirkt, mit der ein Hilfskraftzylinder verbunden ist, dem bei Drehen der Lenkwelle Druckmittel zugeführt wird. Bei bekannten Lenkvorrichtungen dieser Art wird die Zuführung des Druckmittels zum Hilfskraftzylinder dadurch gesteuert, daß die Lenkwelle axial verschiebbar angeordnet ist und durch ihre axiale Verschiebung beim Lenkvorgang ein Steuerventil derart betätigt wird, daß je nach der Verschiebung in der einen oder anderen Richtung dem einen oder anderen Zylinderraum Druckmittel zuströmt, wodurch der Kolben des Druckzylinders in der erforderlichen Richtung bewegt wird, um die Lenkbewegung des Fahrers zu unterstützen.

Diese Lenkvorrichtungen haben sich als unzweckmäßig erwiesen, weil zunächst schon die axiale Verschiebung der Lenkwelle für den Fahrer eine ungewohnte Bewegung darstellt und ferner durch unabsichtliches Verschieben der Lenkwelle ein unerwünschter Lenkimpuls verursacht werden kann, der sich als Ausschlag auf die Fahrzeugräder überträgt.

Es ist daher auch schon bekanntgeworden, die Beeinflussung des Steuerventils für den Hilfskraftzylinder im Lenkgestänge vorzunehmen, so daß die Lenkwelle und damit das Lenkrad in axial fester Lage verbleiben. Diese Verlegung des Steuerventils in das Lenkgestänge ist aber konstruktiv ungünstig. Da der Hilfskraftzylinder auf die Querwelle der Lenkvorrichtung einwirkt, ist ein Zusammenbau des Zylinders mit dem Lenkgehäuse möglich, während dies mit dem im Lenkgestänge befindlichen Steuerventil kaum durchführbar ist. Hinzu kommt, daß das Steuerventil in diesem Fall an einer Stelle sitzt, wo es selbst und zusätzlich die mit ihm verbundenen Leitungen leicht beschädigt werden können.

Gemäß der Erfindung ist die Lenkvorrichtung so ausgebildet, daß die Drehung der Lenkwelle eine axiale Bewegung der Querwelle bewirkt, die auf das Steuerorgan (Steuerschieber) für den Hilfskraftzylinder einwirkt.

Bei dieser Bauart der Lenkvorrichtung kann die Lenkwelle mit dem Lenkrad in der axial festgelegten Lage verbleiben. Ferner kann das Steuerorgan, beispielsweise in Form eines am Ende der Querwelle angesetzten Steuerschiebers, im Lenkgehäuse untergebracht werden, so daß dieser Teil der Lenkvorrichtung einschließlich des Hilfskraftzylinders ein kompaktes Ganzes darstellt.

Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß der Verschiebungsweg der Querwelle groß gewählt werden kann, wodurch die Ausführung des Steuerorgans er-

Mit Hilfskraft arbeitende Lenkvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Anmelder:

Thompson Products, Inc., Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Meissner, Berlin-Grunewald, und Dipl.-Ing. H. Tischer, München 2, Tal 71,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 23. August 1954

Edward J. Herbenar, Detroit, Mich. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

leichtert wird. Eine sehr starke Verschiebung der Lenkwelle ist aus erklärlichen Gründen nicht möglich.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß mechanische Mittel vorgesehen sind, die der axialen Verschiebung der Querwelle infolge der Drehung der Lenkwelle entgegenwirken, um für den Fahrer des Kraftfahrzeugs eine Reaktionskraft (Rückfühlen) zu verwirklichen. Bewirkt bei solchen mit Hilfskraft arbeitenden Lenkvorrichtungen der Hilfskraftzylinder die ganze Lenkarbeit, so hat der Fahrer nur die Kraft aufzuwenden, die für die Verstellung des Steuerorgans notwendig ist. Da diese Kraft ziemlich gering ist, ergibt sich für den Fahrer das nicht ganz angenehme Gefühl, als ob die Lenkung nicht richtig arbeitet und sozusagen „schwimmt". Es ist daher bekanntlich angebracht, diese mit Hilfskraft arbeitenden Lenkvorrichtungen so auszubilden, daß der Fahrer beim Drehen des Lenkrades wenigstens eine geringe Kraft aufzuwenden hat. Zu diesem Zweck werden diese Lenkvorrichtungen so ausgebildet, daß bei den Lenkbewegungen eine gewisse Reaktionskraft erzeugt wird, die der Fahrer als Rückdruck fühlt. So ist es beispielsweise bekannt, diese Reaktionskraft auf hydraulischem Wege zu verwirklichen, wobei die Kraft dem jeweils vorhandenen Öldruck entspricht.

Hierzu ist eine besondere Ventilkonstruktion erforderlich.

Bei der vorliegenden Lenkvorrichtung bestehen die entgegenwirkenden Mittel aus einer Schraubengetriebeverbindung zwischen dem Hilfskraftzylinder

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und der Ouerwelle, die bei Drehung der Querwelle durch den Hilfskraftzylinder die Querwelle axial entgegen der durch Drehung der Lenkwelle bewirkten axialen Bewegung belastet. Hierbei sind also keine besonderen Hilfseinrichtungen erforderlich, sondern es ist nur die bisher übliche Zahnstangenverbindung des Hilfskraftzylinders mit der Ouerwelle durch eine Schraubengetriebeverbindung zu ersetzen, was praktisch keinen zusätzlichen Aufwand bedeutet.

Die Ansprüche 4 bis 6 gelten nur im Zusammenhang mit Anspruch 1.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß eine Lenkrad- ao welle 10, die von Hand durch ein übliches Lenkrad 11 drehbar ist, einen üblichen Lenkhebel 12 über ein Untersetzungsgetriebe und einen Hilfskraftmechanismus betätigt, die in einem Gehäuse 13 angeordnet sind. Der Lenkhebel 12 ist durch ein übliches Lenkersystem (nicht dargestellt) mit den gelenkten Rädern eines Kraftfahrzeugs verbunden. Eine hydraulische Pumpe 14 liefert durch eine Leitung 15 Druckmittel in ein Schiebergehäuse 16, von dem aus das Druckmittel einem Hilfskraftzylinder wahlweise durch eine Leitung 17 oder 18 zugeführt wird, wie weiter unten noch erläutert werden soll.

Die Lenkradwelle 10 ist, wie Fig. 2 und 3 zeigen, mit einer Schnecke 20 versehen, deren schraubenförmige Verzahnung mit der Verzahnung eines üblichen Zahnsegments 21 im Eingriff ist, das auf einer in üblichen Lagern 23, 24 und 25 gelagerten Querwelle 22 sitzt. Entgegen der sonst vorgesehenen Anordnung kann hier aber die Querwelle 22 eine geringe axiale Bewegung in ihren Lagern ausführen. Diese axiale Verschiebung wird in einer Richtung durch Anlage einer Anschlagschulter 26 im Gehäuse 13 an einem Absatz 27 der Querwelle 22 und in der anderen Richtung durch Anlage einer weiteren Schulter 28 im Schiebergehäuse 16, das mit dem Gehäuse 13 fest verbunden ist, an einem weiteren Absatz 29 der Ouerwelle 22 begrenzt.

Infolge der schraubenförmigen Verzahnung zwischen der Schnecke 20 und dem Zahnsegment 21 verursacht die Drehmomentübertragung durch die Schnecke und das Zahnsegment bei Beginn der Übertragung eine axiale Verschiebung der Ouerwelle 22 in der einen oder anderen Richtung, wobei die Richtung von der Richtung des Drehmoments in der Welle 10 abhängt. Diese Hin- und Herverschiebung wird zur Betätigung eines Steuerschiebers 31 benutzt, der einen mit Ringnuten versehenen Steuerkolben 32 hat. Dieser wird von einer Verbindungsstange 33 gehalten, die am oberen Ende der Querwelle 22 befestigt ist. Der Steuerkolben 32 wirkt mit einer Reihe von Ringnuten im Schiebergehäuse 16 zusammen und steuert dadurch die Druckmittelzufuhr von der Pumpe 14 zu den Leitungen 17 und 18, was weiter unten noch, erläutert wird.

Der Steuerkolben 32 wie auch die Querwelle 22, an der er sitzt, sind durch eine Zentrierfeder 34, die mit einem Paar Anschlagscheiben 35 und 36 mit Kugellagern an dem Schiebergehäusedeckel 37 und der oberen Stirnfläche des Schiebergehäuses zusammenwirkt, zentriert, d. h. auf Mittellage gehalten. Demgemäß wirkt die Feder einer Bewegung des Steuerkolbens 32 aus der neutralen Stellung bzw. Mittellage nach beiden Richtungen heraus entgegen. Hört also das Lenkdrehmoment auf, so wird der Steuerkolben 32 durch die Feder in die neutrale Schieberlage zurückgeführt.

Der Steuerschieber 31 hat vorzugsweise eine Bauart mit kontinuierlichem Druckmitteldurchfluß, und zwar wird das Druckmittel von der Pumpe 14 durch die Leitung 15 einer Einlaßringnut 38 zugeführt. Befindet sich der Steuerschieber in der neutralen Stellung, so wird das Druckmittel in der Nut 38 gleichmäßig aufgeteilt und fließt an Steuerflächen 39 und 40 auf jeder Seite der Nut vorbei zu Auslaßkanälen 41 und 42, die in einen gemeinsamen, einzigen Auslaßkanal 43 münden. Dieser Kanal 43 führt zum Gehäuse 13, damit das Druckmittel die Schnecke und das Zahnsegment schmiert. Von hier aus gelangt das Druckmittel durch eine Leitung 44 zur Pumpe 14 zurück.

Wenn der Steuerkolben 32 aus der neutralen Stellung nach jeder Richtung hin- und herverschoben wird, fließt Druckmittel von der Pumpe zum jeweils ausgewählten Hilfskraftzylinder.' Wird also der Steuerkolben 32 nach oben verschoben, so kommt eine ringförmige Steuerfläche 45 des Steuerkolbens 32 mit der Steuerfläche 40 des Schiebergehäuses zur Dekkung, wodurch der Auslaßkanal 42 geschlossen wird. Eine weitere Steuerfläche 46 des Steuerkolbens kommt ferner mit der Steuerfläche 39 zur Deckung, wodurch auch der Auslaßkanal 41 geschlossen und außerdem die Leitung 17 von der Verbindung mit der Druckmittelquelle abgetrennt wird, so daß nunmehr das Druckmittel nur noch in die Leitung 18 gelangt, die zu einem Zylinder eines Hilfskraftzylinderpaares führt, während der andere Zylinder durch den Auslaßkanal 41 zur Pumpe hin entlastet wird. Eine umgekehrte Betätigung des Steuerkolbens 32 ergibt natürlich eine Umkehrung der einzelnen Verbindungen, so daß die Leitung 17 an die Druckleitung 15 und die Leitung 18 an den Auslaßkanal 42 angeschlossen wird.

Ein doppelt wirkender Hilfskraftzylinder ist in Fig. 4 im Schnitt dargestellt. Der Zylinder 47 kann mit dem Gehäuse 13 aus einem Stück bestehen oder an diesem befestigt sein. Im Zylinder befinden sich zwei gegeneinanderarbeitende Druckkolben 49 und 50, die je eine hin- und herbewegliche Zahnstange 51 und

52 haben. Die Zahnstangen 51 und 52 greifen mit ihren Verzahnungen 51 α und 52a in ein Schraubenrad 53 auf der Querwelle 22 ein und treiben das Rad

53 so an, daß es sich in der Richtung dreht, die dem von Hand auf die Ouerwelle 22 ausgeübten Drehmoment entspricht, so daß also eine Krafthilfe ausgeübt wird. Der eine Zylinder mit gegenläufigen Doppelkolben gemäß Fig. 4 wirkt also wie zwei Einzelzylinder. Das Druckmittel wird durch die verzweigte Leitung den äußeren Zylinderseiten zugeführt und gelangt andererseits durch die nicht dargestellte Leitung 17 in den Raum zwischen den Kolben.

Ein Rückfühlen wird durch eine schraubenförmige Verbindung zwischen dem Zahnrad 53 und den Zahnstangen 51 und 52 verwirklicht. Im Hinblick auf die Tatsache, daß der Widerstand gegen die Lenkbewegung durch den Lenkhebel 12 auf die Ouerwelle 22 übertragen wird, wird gegen die Wirkung des Hilfskraftzylinders ein Belastungswiderstand ausgeübt. Da nun das Zahnrad 53 und die Zahnstangen 51 und 52 Schraubenverzahnung mit ziemlich geringer Steigung haben, wird der von der Ouerwelle 22 gegen

Drehung durch den. Hilfskraftzylinder ausgeübte Widerstand eine Hin- und Herverschiebung der Querwelle in ihrer Längsachse verursachen.

Werden Zahnräder mit schraubenförmiger Steigung in der in Fig. 2 und 3 dargestellten Richtung verwendet, so ist erkennbar, daß eine Drehung der Welle 10 in Uhrzeigerrichtung gemäß Fig. 2 eine Drehung der Querwelle 22 entgegen der Uhrzeigerrichtung bewirkt, wobei gleichzeitig eine axial nach unten wirkende Kraft auf die Querwelle ausgeübt wird. Die Abwärtsverschiebung der Querwelle verursacht eine entsprechende Verschiebung des Steuerkolbens 32 nach unten, wodurch Druckmittel von der Pumpe 14 in die Leitung 17 gelangt und damit die beiden Kolben 49 und 50 auseinandergedrückt werden, was wiederum eine Drehung der Querwelle 22 über das Zahnrad 53 entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt, so daß die auf die Welle 22 durch die Lenkwelle 10 übertragene Handkraft unterstützt wird.

Das Auseinandergehen der Kolben 49 und 50, die auf die Schraubenverzahnung des Zahnrads 53 einwirken, verursacht aber gleichzeitig eine Aufwärtsverschiebung der Querwelle 22 entgegen der Abwärtsverschiebung, die durch die Betätigung der Lenkwelle und Lenkschnecke von Hand bewirkt wird. Diese gegenwirkende Aufwärtsverschiebung erzeugt beim Lenker (Fahrer), der die Lenkung betätigt, ein schnell wahrnehmbares Gefühl bzw. eine Reaktion, das bzw. die direkt proportional der Kraft ist, die vom Hilfskraftzylinder auf die Welle 22 zur Überwindung des Lenkwiderstandes ausgeübt wird. Es ist natürlich klar, daß die Größe, des Rückfühlens (Reaktion) bei einem gegebenen Drehmoment des Hilfskraftzylinders von dem Steigungswinkel der Schraubenverzahnung des Zahnrades 53 und der Zahnstangen 51 und 52 abhängt. Ferner ist klar, daß die Drehung der Lenkwelle entgegen der Uhrzeigerrichtung gemäß Fig. 2 ein Reaktionsgefühl verursacht, das dem eben beschriebenen für die Drehung im Uhrzeigersinn entgegengesetzt ist, so daß also dem Lenker jederzeit angezeigt wird, welches Lenkdrehmoment gerade ausgeübt wird.

Als Sicherheitsmaßnahme ist ein Rückschlagventil 30 zwischen den Leitungen 15 und 44 vorgesehen. Dieses Ventil ermöglicht einen Durchfluß von der Leitung 44 zur Leitung 15, wenn die Pumpe außer Betrieb kommen sollte, wodurch ein Druckmittelkreislauf ermöglicht wird, der eine volle Handlenkung gestattet.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß hier ein neues und außerordentlich kompaktes Lenkungssystem mit Hilfskraft vorgesehen wird, das ein direktes Rückfühlen vermittelt. Das vorhandene Rückfühlen der beschriebenen Konstruktion ist mechanischer Art und erfordert keine hydraulischen Ventilkonstruktionen besonderer Art, wie sie bisher üblich waren. Diese Vermeidung zusätzlicher Teile vermindert die beim normalen Lenkungssystem in seiner Grundform anzubringenden Anordnungen und gestattet deren Unterbringung in einem außerordentlich kleinen und kompakten Außengehäuse. Bei Einrichtungen, wo gewünscht wird, daß das Außengehäuse 13 gleich den Hilfskraftzylinder 47 in einem Stück mit enthält, können alle äußeren hydraulischen Leitungen für den Steuerschieber und den Hilfskraftzylinder entfallen, indem die Leitungen 17 und 18 in die Wandungen des Gehäuses 13 verlegt und fluchtend mit entsprechenden Kanälen im Schiebergehäuse 16 verbunden werden, wenn die Gehäuse 13 und 16 aneinander befestigt werden. Eine solche Anordnung, die durch Anwendung entsprechender Kerne beim Gießen der Gehäuse 13 und 16 verwirklicht werden kann, ermöglicht die Herstellung der ganzen Lenkeinrichtung mit sehr wirtschaftlichen Kosten.

Es ist selbstverständlich, daß der Steuerkolben 32 nicht direkt mit dem Ende der Querwelle 22 verbunden zu werden braucht, er kann statt dessen in einer geeigneten Lage in oder in der Nähe des Gehäuses 13 verschiebbar untergebracht und mit dem Ende der Welle 22 durch einen geeigneten Hebelarm verbunden werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Mit Hilfskraft arbeitende Lenkvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer von Hand betätigten Lenkwelle, die mittels einer Getrieberverbindung auf eine mit einem. Lenkhebel verbundene Querwelle einwirkt, mit der ein Hilfskraftzylinder verbunden ist, dem bei Drehen der Lenkwelle Druckmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Lenkwelle (10) eine axiale Bewegung der Querwelle (22) bewirkt, die auf das Steuerorgan (Steuerschieber 31) für den Hilfskraftzylinder (47) einwirkt.

2. Lenkvorrichtung, bei der dem Fahrer eine Reaktionskraft durch mechanische Mittel vermittelt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer mechanischen Kupplung (Schraubengetriebeverbindung51j 52,53) zwischen dem Hilfskraftzylindar (47) und der Querwelle (22) bestehen, die bei Drehung der Querwelle durch den Hilfskraftzylinder die Querwelle axial entgegen der durch die Drehung der Lenkwelle bewirkten axialen Bewegung belastet.

3. Lenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubengeitriebeverbindung zwischen dem Hilfskraftzylinder und der Querwelle aus einem Schraubenrad (53) auf der Querwelle (22) und einem Zahnstangentrieb (51, 52) mit schraubenförmiger Verzahnung besteht, wobei der Zahnstangentrieb vom Hilfskraftzylinder seine Hin- und Herbewegung erhält.

4. Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan als Steuerschieber (31) mit Steuerkolbem (32) ausgebildet ist, der an der Querwelle (22) befestigt ist und deren Hin- und Herbewegung mitmacht.

5. Lenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskraftzylinder ein Paar hin- und herbewegliche, gegenläufige Druckkolben (49., 50) hat, die in einem einzigen Zylinder arbeiten und mit der Querwelle (22) getrieblich verbunden sind, um diese in. der einen oder anderen Richtung zu drehen, je nachdem ob die Kolben sich aufeinander zu oder voneinander weg bewegen, wobei der Steuerschieber (31) durch die axiale Verschiebung der Querwelle aus einer neutralen Stellung heraus in der einen oder anderen Richtung verschoben wird, um dadurch Druckmittel dem Hilfskraftzylinder zuzuführen, und dessen Kolben aufeinander zu oder voneinander weg zu bewegen.

6. Lenkvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwelle (22), die Getriebeverbindung (20, 21) zwischen, der Lenkwelle (10) und der Querwelle (22), das Steuerorgan (31), die Getriebeverbindung (51,52,53) zwischen dem Hilfskraftzylinder (47) und der Querwelle

(22) und der Hilfskraftzylinder (47) ein in einem einzigen Gehäuse (13) untergebrachtes Ganzes bilden.

7. Lenkvorrichtung¹ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeverbindung zwischen der Lenkwelle (10) und der Querwelle (22) aus einem Schrauben- bzw. Schneckengetriebe (20, 21) besteht, wie an sich bekannt, durch das bei Drehen der Lenkwelle (10) die Verschiebung der Querwelle (22) bewirkt wird.

8. Lenkvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeverbindung in an

sich bekannter Weise aus einem Schraubenrad (20) auf der Lemkwalle (10) und einem mit diesem kämmendem Zahnsegment (21) auf der Querwelle (22) besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 647130, 911 699;

deutsche Patentanmeldung G1158411/63 c (bekanntgemacht am 5. 8. 1954);

schweizerische Patentschriften Nr. 231629, 231814; USA.-Patentschriften Nr. 2 213 271, 2 410049, 608 263, 2 627 187.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen