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Die
Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung mit variablem Übersetzungsverhältnis für ein Fahrzeug,
welche das Verhältnis
des gelenkten Winkels der lenkbaren Straßenräder zu dem Lenkwinkel des Lenkrads
bzw. das Lenkwinkelverhältnis
in Abhängigkeit
von der Größe der Lenkeingabe
verändern kann.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Lenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Lenkvorrichtungen
für Kraftfahrzeuge
umfassen typischerweise einen Zahnstangen/Ritzel-Mechanismus, wie
er in 6 dargestellt
ist. Wie im Stand der Technik wohlbekannt ist, ist ein Lenkrad 1 fest
an einem oberen Ende einer Lenkwelle 2 angebracht, und
ein unteres Ende der Lenkwelle 2 ist über ein Paar Universalgelenke
bzw. Kreuzgelenke 3 mit einer Kopplungswelle 4 verbunden.
Ein Ritzel 5 ist fest an einem unteren Ende der Kopplungswelle 4 angebracht
und kämmt
mit einer Zahnstange 6, die über Zugstangen 7 und
Gelenkhebel 8 mit Straßenrädern 9 verbunden
ist.
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Somit
wird die Drehbewegung β des
Ritzels 5 in eine Linearbewegung L der mit dem Ritzel 5 kämmenden
Zahnstange 6 übergeführt, welche
ihrerseits über
die Zugstangen 7 und die Gelenkhebel 8 in eine
Lenkbewegung T der Straßenräder 9 übergeführt wird.
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Bei
derartigen herkömmlichen
Lenkvorrichtungen ändert
sich der Lenkwinkel T der Straßenräder 9 im
wesentlichen linear mit dem Drehwinkel α des Lenkrads 1. Im
Hinblick auf die Handhabung des Fahrzeugs ist es jedoch erwünscht, daß der zum
Erzielen eines maximalen Lenkwinkels der Straßenräder 9 erforderliche
Drehwinkel des Lenkrads 1 ziemlich klein ist. Genauer gesagt,
falls die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrads und dem Lenkwinkel
der Straßenräder derart
festgesetzt ist, wie dies in 7 durch
die strichpunktierte Linie (v) angegeben ist, wird der erforderliche
Drehwinkel des Lenkrads 1 herabgesetzt und in einem Niedergeschwindigkeitsbereich
kann eine günstige
Fahrzeughandhabung erzielt werden, das Fahrzeug kann aber in einem
Hochgeschwindigkeitsbereich so übermäßig ansprechen
(Gierrate, Seitenbeschleunigung und Wankbewegung), daß die Fahrzeughandhabung
in dem Hochgeschwindigkeitsbereich nicht akzeptabel sein kann. Dies
bedeutet, daß jegliche
feste lineare Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Lenkrads und
dem Lenkwinkel der Straßenräder nicht
in allen Geschwindigkeitsbereichen zufriedenstellend sein kann.
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Auf
diesen Betrachtungen basierend wird die Beziehung zwischen dem Drehwinkel
des Lenkrads und dem Lenkwinkel der Straßenräder normalerweise gemäß dem Kompromiß zwischen
dem gewünschten
Ansprechverhalten des Fahrzeugs sowohl im Hochgeschwindigkeitsbereich
als auch im Niedergeschwindigkeitsbereich bestimmt, und sie wird
typischerweise derart be stimmt, daß ein maximaler Lenkwinkel
erzielt werden kann, indem das Lenkrad aus einer Neutralstellung
heraus in jeder der Richtungen um 1,5 Umdrehungen oder 540° gedreht wird,
wie dies in der Darstellung von 7 durch
die strichpunkt-punktierte Linie (w) angegeben ist.
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Die
Darstellung der 8 zeigt
schematisch die Änderungen
des maximalen praktischen Lenkwinkels mit der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Die dünne strich-punkt-punktierte
Linie (x) gibt den maximalen praktischen Lenkwinkel für das herkömmliche
Lenksystem an. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit extrem niedrig ist,
kann das Lenkrad um bis zu 1,5 Umdrehungen gedreht werden. In einem
Hochgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs muß jedoch der Drehwinkel des
Lenkrads extrem klein gehalten werden, um das Fahrzeug stabil lenken
zu können.
Idealerweise ist es erwünscht,
den maximalen praktischen Lenkradwinkel in einem Niedergeschwindigkeitsbereich
auf einen niedrigeren Wert abzusenken und ihn in einem Hochgeschwindigkeitsbereich
zu erhöhen, wie
dies in 8 durch die
dicke Kurve (y) angegeben ist. Dies kann man dadurch erreichen,
daß man das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Lenkrad und den Straßenrädern α/β in dem Niedergeschwindigkeitsbereich
vermindert und in dem Hochgeschwindigkeitsbereich erhöht.
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Das
Lenksystem mit veränderlichem
Lenkwinkelverhältnis,
das in der
DE 195
08 708 A1 vorgeschlagen wurde, war zum Erreichen dieses
Ziels gedacht. Dieses Lenksystem ist in der vorliegenden Patentanmeldung
in
9 dargestellt. Dieses
Lenksystem umfaßt
eine Eingangswelle
101, die mit dem Lenkrad verbunden ist
und von einem im wesentlichen zylindrischen Halterungselement
103 über ein zweifaches
Radiallager
102 drehbar gehalten ist, wobei das Radiallager
102 seinerseits
von einem Gehäuse
106 über Halterungsstifte
104 und
105 verschiebbar
gehalten ist, welche an dem Halterungselement
103 einstückig ausgebildet
sind. Eine in einer Ausgangswelle
107 integral vorgesehene
exzentrische Welle
108 ist mit der Eingangswelle
101 über eine
Gleitkupplung
109 verbunden. Die Ausgangswelle
107 ist
mit einem Ritzel
5 gekoppelt, welches seinerseits zur Übertragung
eines Lenkdrehmoments auf die Straßenräder mit einer Zahnstange
6 kämmt. Bei
diesem Lenksystem kann das Lenkwinkelverhältnis kontinuierlich geändert werden,
indem man das Halterungselement
103 orthogonal zur Eingangswelle
101 bewegt
und die Exzentrizität
zwischen der Eingangswelle
101 und der Ausgangswelle
107 verändert.
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Falls
die mechanische Steifigkeit der kraftübertragenden Elemente des Lenksystems
und/oder die Fertigungsgenauigkeit nicht ausreicht, kann jedoch
bei diesem Aufbau das Lenkwinkelverhältnis durch die Größe der Lenklast
beeinträchtigt
werden, und in dem Lenksystem kann ein nicht zu akzeptierendes Spiel
erzeugt werden. Ferner kann der Vorgang des Veränderns des Lenkübersetzungsverhältnisses
nicht reibungslos durchgeführt
werden, falls die Fertigungsgenauigkeit nicht ziemlich hoch ist.
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Da
dieses früher
vorgeschlagene Lenksystem mit variablem Lenkverhältnis, im Gegensatz zu dem
herkömmlichen,
auf dem Kompromiß zwischen den
Anforderungen sowohl des Hochgeschwindigkeitsbereichs als auch des
Niedergeschwindigkeitsbereichs basierenden Lenksystems ein relativ
niedriges Lenkübersetzungsverhältnis mit
sich bringt, ist es insbesondere erforderlich, die Steifigkeit zu
erhöhen
und den Betrieb des Übersetzungsverhältnis-Veränderungsmechanismus
umso reibungsloser zu machen. Da die Halterungsstifte 104 und 105 mit dem
Gehäuse 106 in
Gleiteingriff stehen, ist es jedoch schwierig, eine zum Erzielen
hoher Halterungssteifigkeit und zum Ermöglichen eines reibungsloser Betriebs
des Übersetzungsverhältnis-Veränderungsmechanismus
ausreichende Bemessungsgenauigkeit sicherzustellen.
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Zur
weiteren Illustration des fachlichen Hintergrunds auf dem Gebiet
von Lenkvorrichtungen kann ferner auf die Druckschriften
DE 44 03 379 A1 sowie
DE 44 03 521 A1 verwiesen
werden, welche weitere Lenksysteme mit variablem Übersetzungsverhältnis für Kraftfahrzeuge
zeigen.
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Aus
der JP 2-14971 A eine Lenkvorrichtung bekannt, die ein Paar elliptischer
Zahnräder
und ein weiteres Paar kreisförmiger
Zahnräder
zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle einsetzt, um das Übersetzungsverhältnis mit
zunehmender Lenkeingabe vermindern zu können. Als Ergebnis hiervon
ist die Winkelbewegung des Ritzels für ein gegebenes Inkrement der
Lenkeingabe relativ klein, wenn die Lenkeingabe klein ist, jedoch
nimmt die Winkelbewegung des Ritzels für das gleiche Inkrement der Lenkeingabe
bei großer
Lenkeingabe zu. Somit ist es möglich,
ein Lenkverhalten zu erzielen, wie es in 8 durch die Kurve (y) angegeben ist,
und die Handhabung der Lenkvorrichtung des Fahrzeugs bleibt über den
gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs im wesentlichen gleichförmig.
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Jedoch
erfordert die Herstellung bzw. Bearbeitung elliptischer Zahnräder eine
spezielle Werkzeuganordnung und es ist relativ schwierig, die erforderliche
Genauigkeit zu erzielen. Ferner kann es vorkommen, daß der Fahrzeugführer gewisse
Schwankungen der zum Drehen des Lenkrads erforderlichen Kraft spürt und einen
ungünstigen
Eindruck bekommt. Ferner ist das Drehzahluntersetzungsverhalten
des Übersetzungsmechanismus
der Lenkvorrichtung durch die Form der elliptischen Zahnräder bestimmt
und kann nicht in einfacher Weise geändert werden. Ein genaues Kämmen der
vier Zahnräder
ist für
eine günstige
Handhabung der Lenkvorrichtung wesentlich, es erfordert jedoch einige
besondere Sorgfalt. Die Beseitigung von Spiel aus dem sowohl die
elliptischen Zahnräder
als auch die kreisförmigen Zahnräder umfassenden Getriebezug
ist schwierig, und in der Praxis ist ein gewisses Spiel in dem Getriebezug
der Lenkvorrichtung unvermeidlich.
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Eine
Lenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist aus der
DE
41 02 913 A1 bekannt. Die gattungsgemäße Lenkvorrichtung weist eine
erste und eine zweite Welle auf, welche zueinander parallel und
um einen festen Abstand versetzt angeordnet sind. Ein der zweiten
Welle zugewandtes Ende der ersten welle weist einen exzentrisch
zur Drehachse der ersten Welle angeordneten axialen Vorsprung auf,
welcher mit einer entsprechenden Nut in einer der ersten Welle zugewandten
Stirnseite der zweiten Welle zur Übertragung eines Drehmoments in
Eingriff ist. Da bei dieser Lenkvorrichtung keine Möglichkeit
zur Einstellung von Axialspiel und Axiallast für die beiden Wellen vorgesehen
ist, lässt
sich bei der gattungsgemäßen Lenkvorrichtung
das Auftreten eines fortschreitenden Spiels nach längerer Betriebsdauer
nicht vermeiden. Einem solchen Spiel kann nur durch aufwändige Reparatur
oder durch ebenfalls kostenintensive präzise Fertigung der einzelnen
Bauteile begegnet werden.
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Im
Hinblick auf diese Probleme des Standes der Technik ist es Aufgabe
der Erfindung, eine Lenkvorrichtung mit variablem Übersetzungsverhältnis bereitzustellen,
welche es bei einfachem Aufbau ermöglicht, die lenkbaren Straßenräder für ein gegebenes
Inkrement der Lenkeingabe mit zunehmender Lenkeingabe um einen größeren Winkel
zu drehen, relativ frei von Spiel ist und ausreichende Steifigkeit in
dem Drehmomentübertragungsweg
der Lenkvorrichtung sicherstellen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgab durch Bereitstellen einer Lenkvorrichtung gemäß Anspruch 1
gelöst.
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Erfindungsgemäß ist demnach
eine Einstellschraube vorgesehen, welche es erlaubt, ein axiales Spiel
zwischen der ersten Welle, dem Zwischenelement und der zweiten Welle
sowie eine auf diese Bauteile ausgeübte Axiallast einzustellen.
Auf diese Weise ist es möglich,
jegliches Spiel des Zwischenelements zu beseitigen und das Spiel
des Gesamtsystems zu steuern. Durch Einstellen der Einstellschraube
ist es ferner möglich,
in dem Drehmomentübertragungsweg
eine gewünschte
Steifigkeit zu erhalten.
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Da
die erste Welle von der zweiten Welle versetzt ist, ändert sich
der Abstand zwischen der axialen Mittellinie der ersten Welle und
dem Eingriffspunkt zwischen dem Zwischenelement und der zweiten
Welle mit der Winkelverlagerung der ersten Welle, und kann ein gewünschtes
nicht-lineares Verhalten zwischen den Winkelverlagerungen der ersten Welle
und der zweiten Welle erhalten werden. Ferner birgt die wechselweise
Gleitbewegung zwischen der ersten Welle und der Zwischenwelle in
der Radialrichtung eine derartige Beziehung in sich, und diese Beziehung
kann bemessungsmäßig präzise und spielfrei
erzielt werden, da die Bewegungen der bewegbaren Elemente streng
aus Drehbewegungen von Kreiselementen und einfachen Linearbewegungen
bestehen.
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Gemäß einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist eines der einander gegenüberliegenden
axialen Enden der ersten Welle und des Zwischenelements mit einem
Steg versehen und ist das andere der einander gegenüberliegenden
axialen Enden der ersten Welle und des Zwischenelements mit einem
komplementär
ausgebildeten Schlitz zur Aufnahme des Stegs versehen, wobei ein Paar
Wälzlager
zwischen einander zugewandten Seitenwandungen des Stegs und des
Schlitzes angeordnet ist. Vorzugsweise bestehen diese Wälzlager
aus Rollenlagern. Dies ermöglicht
einen in hohem Maße
spielfreien Eingriff zwischen der ersten Welle und dem Zwischenelement
mit einem minimalen Maß an
Reibung.
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Alternativ
können
die einander zugewandten axialen Enden der ersten Welle und des
Zwischenelements mit einander zugewandten in Radialrichtung verlaufenden
Nuten versehen sein und ein Wälzlager in
den Nuten aufgenommen sein, um eine Drehmomentübertragung zwischen der ersten
Welle und dem Zwischenelement bei gleichzeitiger Möglichkeit einer freien
linearen Bewegung in radialer Richtung zu ermöglichen. Das Wälzlager
kann eine Mehrzahl von Rollen umfassen, die in einer einzigen Reihe
angeordnet sind, sowie eine Halterung umfassen, welche die Rollen
drehbar hält,
wobei die Drehachsen der Rollen alternierend um 90° versetzt
sind, oder eine Mehrzahl von Kugeln umfassen, die in einer einzigen
Reihe angeordnet sind, sowie eine Halterung umfassen, welche die
Kugeln drehbar hält.
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Zur
Erzielung eines spiel- und reibungsfreien Eingriffs zwischen dem
Zwischenelement und der zweiten Welle kann eine der einander zugewandten Endflächen des
Zwischenelements und der zweiten Welle mit einer Zylinderausnehmung
versehen sein, und kann die andere der einander zugewandten Endflächen des
Zwischenelements und der zweiten Welle mit einer Stummelwelle versehen
sein, die in der Ausnehmung drehbar aufgenommen ist, wobei eine gemeinsame
axiale Mittellinie der Stummelwelle und der Ausnehmung bezüglich der
axialen Mittellinie der zweiten Welle versetzt ist. Vorzugsweise
ist die Stummelwelle in der Zylinderausnehmung über ein Rollenlager aufgenommen,
um die Reibung zu minimieren.
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Im
Hinblick auf den Ausschluß jeglichen Spiels
in der Lenkvorrichtung und zur Sicherstellung eines in hohem Maße steifen
Drehmomentübertragungswegs
kann zumindest eine axiale Auswärtsbewegung
der ersten Welle begrenzt sein, bspw. unter Einsatz von Schrägkugellagern.
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Die
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert werden.
Es stellt dar:
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1 einen
Schnitt, der eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung mit
variablem Übersetzungsverhältnis zeigt;
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2 einen
Schnitt längs
der Linie II-II in 1;
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3 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Funktionsprinzips der Erfindung;
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4 eine
Darstellung ähnlich 2,
die eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt;
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5 eine
Darstellung ähnlich 2,
die eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt;
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6 ein
Diagramm, das ein typisches Lenksystem für ein Fahrzeug zeigt;
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7 einen
Graphen, der die Beziehung zwischen dem Lenkeingabewinkel und der
Verlagerung einer Zahnstange zeigt;
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8 einen
Graphen, der die Beziehung zwischen der Fahrgeschwindigkeit des
Fahrzeugs und dem typischen Lenkwinkel zeigt; und
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9 ein
nicht erfindungsgemäßes Lenksystem
aus dem Stand der Technik.
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Die 1 und 2 zeigen
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung
mit variablem Übersetzungsverhältnis. Diese Vorrichtung 12 ist
zum Einbau in dem in 6 mit "V" bezeichneten
Teil geeignet und umfaßt
eine Eingangswelle 11, die mit dem Lenkrad 1 der 6 verbunden
ist. Diese Eingangswelle 11 ist von einem Paar Schrägkugellager 14 drehbar
gehalten und kann eine Axiallast ab stützen. Die Schrägkugellager 14 sind
von einem oberen Teil eines oberen Gehäuses 13a der Lenkvorrichtung 12 gehalten.
Ein Dichtungselement 15 ist in einen Ringspalt eingepaßt, der zwischen
der aus dem oberen Gehäuse 13a herausragenden
Eingangswelle 11 und einem die Eingangswelle 11 umgebenden
Teil des oberen Gehäuses 13a gebildet
ist.
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Ein
inneres axiales Ende der in dem oberen Gehäuse 13a aufgenommenen
Eingangswelle 11 ist mit einer radialen Verlängerung 11a versehen,
die an ihrem inneren axialen Ende einen Steg 11b mit sich verjüngenden
Seitenflächen
aufweist. Der sich verjüngende
Steg 11b ist in einem komplementär ausgebildeten Schlitz 16a eines
Zwischenelements 16 über ein
Paar flacher Nadellager 17 aufgenommen, so daß diese
beiden Teile längs
der sich in radialer Richtung erstreckenden Länge des Stegs 11b bzw.
des Schlitzes 16a relativ zueinander frei verschiebbar sind.
Somit ist das Zwischenelement 16 drehmomentübertragend,
jedoch längs
einer orthogonal zur Axialrichtung der Eingangswelle 11 verlaufenden Richtung
frei beweglich mit der Welle 11 gekoppelt.
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Das
andere axiale Ende des Zwischenelements 16, das von dem
Schlitz 16a wegweist, ist mit einer Stummelwelle 16b versehen,
welche integral und axial von diesem ausgeht. Eine Ausgangswelle 18 ist
in einem unteren Gehäuse 13b von
einem Nadellager 20 und einem Schrägkugellager 18b drehbar
gehalten. Die Ausgangswelle 18 ist parallel zu der Eingangswelle 11,
jedoch bezüglich
dieser radial versetzt angeordnet. Die dem Zwischenelement 16 zugewandte
Endfläche
der Ausgangswelle 18 ist mit einer Zylinderausnehmung 18a versehen,
welche die Stummelwelle 16b über ein Radialnadellager 19 aufnimmt.
Ein Axialnadellager 21 ist zwischen den Teilen der einander
zugewandten Endflächen
des Zwischenelements 16 und der Ausgangswelle 18 angeordnet,
die die Stummelwelle 16b umgeben. Diese Stummelwelle 16b verläuft parallel
zur Eingangswelle 11, jedoch ist die gemeinsame axiale
Mittellinie der Stummelwelle 16b und der Zylinderausnehmung 18a von
der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 18 exzentrisch
versetzt.
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Somit
ist die Stummelwelle 16b in der Zylinderausnehmung 18a der
Ausgangswelle 18 drehbar aufgenommen, und es kann Drehmoment
von der Eingangswelle 11 über einen Eingriffspunkt zur
Ausgangswelle 18 übertragen
werden, der sowohl von der axialen Mittellinie der Eingangswelle 11 als
auch der axialen Mittellinie der Ausgangswelle 18 versetzt ist.
Festzuhalten ist, daß die
axiale Mittellinie der Eingangswelle 11 von der Axialmitte
der Ausgangswelle 18 versetzt ist, um eine nicht-lineare
Beziehung zwischen der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 18 zu
erzielen. Diese Beziehung kann auf verschiedene Art und Weise erzielt
werden, jedoch ist diese bestimmte Ausführungsform vorteilhaft, da
die Seitenausdehnung des Zwischenelements 16 und die gesamte
axiale Länge
minimiert werden kann. Das Schrägkugellager 18b kann
eine von der Ausgangswelle 18 ausgeübte, nach unten gerichtete
Axialkraft abstützen.
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Die
Ausgangswelle 18 ist in ihrem Hauptteil mit einem Schrägritzel 5 ausgebildet,
das zwischen den beiden Lagern 20 und 18b angeordnet
ist. Und dieses Ritzel 5 kämmt mit einer Zahnstange 6,
die an einem Zahnstangenschaft ausgebildet ist, welcher mit den
lenkbaren Straßenrädern verbunden
ist, um die Drehbewegung des Lenkrads 1 in die Linearbewegung
des Zahnstangenschafts umzuwandeln.
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Eine
Einstellschraube 22 ist in ein unteres Ende des unteren
Gehäuses 13b eingeschraubt,
und das innere Ende dieser Einstellschraube 22 steht mit dem
unteren Ende des äußeren Laufrings
des das untere Ende der Ausgangswelle 18 abstützenden Schrägkugellagers 18b in
Eingriff, so daß durch
geeignetes Verdrehen der Einstellschraube 22 das Ritzel 5 in
axialer Richtung bewegt wird und eine gewünschte Vorlast zwischen der
Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 18 mit
dem zwischen diesen beiden angeordneten Zwischenelement 16 ausgeübt werden
kann. Somit kann einfach durch Einstellen der Einstellschraube 22 jegliches
Spiel des Zwischenelements 16 beseitigt werden, und das
Spiel des Gesamtsystems kann gesteuert werden. Durch Einstellen
der Größe der Vorlast
kann ferner die Steifigkeit des Drehmomentübertragungszugs des Systems
gesteuert werden und kann die Steifigkeit des Systems in gewünschter
Weise betriebsmäßig beeinflußt werden.
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Um
die Linearbewegung der Zahnstange 6 längs ihrer axialen Richtung
im wesentlichen ohne Spiel zu führen,
liegt, wie am besten in 2 dargestellt ist, eine von
einem Träger
drehbar gehaltene Anpreßrolle 23 an
der hinteren Fläche
der Zahnstange 6 an und ist der Träger gemeinsam mit der Anpreßrolle 23 durch
eine Schraubendruckfeder 25 elastisch in Richtung auf die
Zahnstange 6 hin vorgespannt, wobei die Schraubendruckfeder 25 zwischen dem
Träger
der Anpreßrolle 23 und
einer Einstellschraube 24 angeordnet ist, welche in das
untere Gehäuse 13b eingeschraubt
ist.
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Im
folgenden soll das Funktionsprinzip dieser Ausführungsform mit Bezug auf 3 beschrieben
werden.
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In
dem Diagramm der 3 bezeichnen A und B die Drehmittelpunkte
der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 18,
bezeichnet C den Eingriffspunkt zwischen dem Zwischenelement 16 und der
Ausgangswelle 18 bzw. die axiale Mitte der Stummelwelle 16b,
bezeichnet a das Maß der
Exzentrizität zwischen
der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 18 bzw.
den Abstand zwischen A und B, bezeichnet b den Abstand zwischen
B und C, bezeichnet α den
Drehwinkel der Eingangswelle 11 bzw. den Lenkwinkel des
Lenkrads 1, und bezeichnet β den Drehwinkel der Ausgangswelle 18 bzw.
den Drehwinkel des Ritzels 5. Gemäß der geometrischen Beziehung
zwischen den verschiedenen Teilen gilt die folgende mathematische
Beziehung: b·sinβ = (b·cosβ – a)·tanα
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Dies
kann auch geschrieben werden wie folgt: α = tan–1[b·sinβ/(b·cosβ – a)]wenn
die Eingangswelle 11 gedreht wird, dreht sich das Zwischenelement 16 aufgrund
des Eingriffs mit der Eingangswelle 11 über die Wälzlager 17 nach Art einer
Kurbel um die axiale Mitte A der Eingangswelle 11, und
die Stummelwelle 16b des Zwischenelements 16 dreht
aufgrund des Eingriffs zwischen der Stummelwelle 16b und
der Zylinderausnehmung 18a die Ausgangswelle 18 um
deren axiale Mitte B. Aufgrund der Exzentrizität a zwischen der Eingangswelle 11 und
der Ausgangswelle 18 ist der Drehwinkel der Ausgangswelle 18 nicht
allgemein proportional zum Drehwinkel der Eingangswelle 11.
Insbesondere steigt die Änderung
des Winkels der Ausgangswelle 18 mit zunehmendem Drehwinkel
der Eingangswelle 11 für
ein gegebenes Inkrement des Drehwinkels der Eingangswelle 11 zunehmend
an, wie dies in 7 durch die durchgezogene Linie
a1 angegeben ist.
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Durch Änderung
des Maßes
der Exzentrizität a,
bspw. für
verschiedene Fahrzeugmodelle, ist es ferner möglich, das Verhältnis des
Drehwinkels der Ausgangswelle 18 für einen gegebenen Drehwinkel der
Eingangswelle 11 bzw. das effektive Lenkwinkelverhältnis wie
gewünscht
zu verändern.
In dem Sonderfall, daß zwischen
der Eingangswelle 11 und der Ausgangswelle 18 keine
Exzentrizität
vorhanden ist, ist das Lenkwinkelverhältnis konstant bzw. ändert sich
der Lenkwinkel der Ausgangswelle 18 proportional zum Drehwinkel
der Eingangswelle 11, wie dies in 7 durch
die gestrichelte Linie a0 angedeutet ist. Erfindungsgemäß ist jedoch
allgemein eine bestimmte Exzentrizität zwischen der Eingangswelle 11 und der
Ausgangswelle 18 vorhanden, und das effektive Übersetzungsverhältnis steigt
mit steigendem Lenkradlenkwinkel zunehmend an, wie dies in 7 durch
die durchgezogene Linie a1 angegeben ist. Dies
bedeutet, daß das
effektive Lenkübersetzungsverhältnis in
einem kleinen Lenkwinkelbereich klein ist und der Fahrzeugführer ein relativ
stabiles Ansprechen der Lenkung spürt. In einem großen Lenkwinkelbereich
andererseits ist das effektive Lenkübersetzungsverhältnis höher und
der Fahrzeugführer erfährt ein
relativ zügiges
Lenkansprechverhalten. Da der Lenkwinkel in einem Hochgeschwindigkeitsbereich
des Fahrzeugsbetriebs relativ klein ist und große Lenkwinkel nur in einem
Niedergeschwindigkeitsbereich auftreten, wird der praktische oder
typische Lenkwinkel im Falle eines herkömmlichen Lenksystems mit festem
Lenkverhältnis
so sein, wie dies in 8 durch (x) angegeben ist, und
im Falle eines erfindungsgemäßen Lenksystems
mit variablem Übersetzungsverhältnis so
sein, wie dies in 8 mit (y) angegeben ist. Erfindungsgemäß können somit gleichzeitig
in einem Hochgeschwindigkeitsbereich stabile Handhabung des Ansprechens
des Fahrzeugs und in einem Niedergeschwindigkeitsbereich günstige Manövrierbarkeit
erzielt werden.
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Erfindungsgemäß sind die
Teile, wie die Eingangswelle 11, das Zwischenelement 16 und
die Ausgangswelle 18, die direkt in die Drehmomentübertragung
einbezogen sind, von Lagern drehbar gehalten, typischerweise Wälzlagern,
bspw. Kugellagern, Rollenlagern und Nadellagern, und es ist im Vergleich
zu dem herkömmlichen,
elliptische Zahnmechanismen einsetzenden System einfacher, die erforderliche
Präzision
zu erzielen. Da die Kontaktfläche
an jedem Eingriffspunkt in dem Drehmomentübertragungszug des Systems
relativ groß ist,
kann ferner ein in hohem Maße
haltbarer Aufbau erzielt werden, und das System kann im wesentlichen
ohne Geräuschentwicklung
betrieben werden. Ferner kann die Änderung des Lenkwinkelverhältnisses
beliebig durchgeführt
werden, und die Lenkeingabe kann ebenfalls kontinuierlich geändert werden,
ohne irgendeinen ungewöhnlichen
Eindruck zu erzeugen.
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Im
folgenden wird eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug auf 4 beschrieben
werden. In 4 sind Teile, die jenen der vorhergehenden
Ausführungsform
entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
dieser Ausführungsform
ist das obere Ende des Zwischenelements 16 anstelle eines
Schlitzes 16a mit sich verjüngenden Seitenwandungen mit einer
V-förmigen
Nut 31 versehen, die einen Öffnungswinkel von 90° aufweist.
Die gegenüberliegende
Endfläche
der radialen Verlängerung 11a der
Eingangswelle 11 ist mit einer ähnlichen V-förmigen Nut 32 versehen,
die einen Öffnungswinkel
von 90° aufweist.
Diese Nuten 31 und 32 sind zueinander ausgerichtet
und legen einen länglichen
Hohlraum rechteckförmigen
Querschnitts fest. In diesem Hohlraum ist Wälzlager 33 aufgenommen,
welches eine Mehrzahl von Rollen umfaßt, die von einem Halterungselement
in einer einzigen Reihe drehbar derart gehalten sind, so daß ihre Drehachsen
zueinander alternierend um 90° versetzt
sind. Somit können
sich das Zwischenelement 16 und die Eingangswelle 11 mittels
des Wälzlagers 33 in
Längsrichtung
der Nuten 31 und 32 relativ zueinander frei bewegen.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil einfachen Aufbaus.
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Im
folgenden wird eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug auf 5 beschrieben
werden. In 5 sind Teile, die jenen der vorhergehenden
Ausführungsformen
entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Diese
Ausführungsform
ist der zweiten Ausführungsform ähnlich,
jedoch umfaßt
das Wälzlager 34 eine
einzige Reihe von Stahlkugeln, die in einem Halterungselement drehbar
gehalten sind. Das Wälzlager 34 ist
in einem Paar zueinander ausgerichteter Nuten 35 und 36 aufgenommen,
die geringfügig
gekrümmte
Seitenwandungen aufweisen und in den einander gegenüberliegenden
Endflächen
der radialen Verlängerung 11a der
Eingangswelle 11 und des Zwischenelements 1b vorgesehen
sind. Diese Ausführungsformen
weist ähnliche
Vorteile auf wie die zweite Ausführungsform.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen war das Ritzel 5 auf
der Ausgangswelle 18 vorgesehen, während das Lenkrad 1 mit
der Eingangswelle 11 verbunden war. Es ist jedoch ebenso möglich, diese
Beziehung umzukehren. Insbesondere ist es möglich, die Funktionen der Eingangswelle 11 und
der Ausgangswelle 18 auszutauschen und ein Ritzel an der
derart neu definierten Ausgangswelle vorzusehen, während das
Lenkrad an der derart neu definierten Eingangswelle angebracht ist.
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Somit
ist es erfindungsgemäß möglich, eine nicht-lineare
Beziehung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle zu erzeugen,
indem man einen rein mechanischen Kraftübertragungsmechanismus verwendet,
und hierdurch mit einem in hohem Maße einfachen Aufbau in einem
Hochgeschwindigkeitsbereich eine stabile Handhabung des Fahrzeugs und
in einem Niedergeschwindigkeitsbereich eine zügige Manövrierbarkeit zu erzielen. Da
diese nicht-lineare Beziehung durch Änderung der Exzentrizität zwischen
der Eingangswelle und der Ausgangswelle beliebig eingestellt werden
kann, ist es möglich,
für jedes
beliebige Fahrzeugmodell in einfacher Art und Weise optimale Lenkübersetzungseigenschaften
zu erhalten. Durch Einsatz von Wälzlagern
bzw. Rollenlagern in dem Gleiteingriffsteil zwischen der Eingangswelle
und dem Zwischenelement kann ein reibungsloser und günstiger
Betriebseindruck erzielt werden und die Haltbarkeit der Gleitteile kann
erhöht
werden mit dem zusätzlichen
Vorteil verminderter Geräuschentwicklung.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben worden ist,
ist es möglich,
deren Details zu modifizieren und abzuwandeln, ohne vom Umfang der
Erfindung abzuweichen.