DE2141205B2

DE2141205B2 - Lenkgetriebe für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE2141205B2
Application number: DE2141205A
Authority: DE
Inventors: Arthur Ernest Cremorne Neusuedwales Bishop (Australien)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-08-17
Filing date: 1971-08-17
Publication date: 1979-11-22
Also published as: SE385681B; FR2104354A5; DE2141205A1; AU462162B2; USRE28740E; US3753378A; GB1356172A; AU3086771A

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für Fahrzeuge, mit einem zur Fahrzeuglenkung betätigbaren Ritzel, das mit einer Zahnstange in Eingriff slelht, an tier Lenkorgane des Fahrzeuges angelenkt sind und clic zur Erzielung einer über den Lenkausschlag von der Gcradeausfahrtstellung aus nach beiden Seiten abnehmenden Lenkuntersetzung in ihrem mittleren, bei Geradeausfahrtstellung mit dem Ritzel in Eingriff befindlichen Teil eine der Ritzelachse nähergdegene Wälzbahn bildet als in den sich an diesen mitllere:i Teil der Zahnstange an beiden Seiten anschließenden Außenteilen, wobei zwischen mittleren und Amßenteil jeweils ein Übergangsbereich eingeschaltet ist.

Bekannte Lenkgetriebe (FR-PS 1392007) dieser λ\Π lassen nur eine Änderung der Uniersetzung von etwa 20% zu, was einem Verhältnis von 1,2: Il entspricht, liir Personenkraftwagen mit Servolenkung ist jedoch für ein optimales Lenkverhalten ein Verhältnis von etwas weniger als 2:1 wünschenswert, wobei sich die Untersetzung von der Zahnstangenmitte aus nach beiden Seiten rasch verändern soll, bis ein etwa konstantes Untersetzungsverhältnis erreicht ist. Hierfür sind die bekannten Lenkgetriebe aus folgenden Gründen nicht geeignet:

1. Es ergeben sich sehr kleine Flankenwinkel und daher verhältnismäßig geringe Festigkeit für die am häufigsten beanspruchten Zähne in der Zahnstangenmitte;

2. große Flankenwinkel für die niedrige Untersetzung an den Enden der Zahnstange bedingen sehr große Änderungen des Wirkungsgrades von bis zu 30% und haben stoßartige Bewegungen des Lenkrades zur Folge.

3. Große Untersetzungsänderungen und damit große Änderungen des Flankenwinkels der Zähne, insbesondere im Bereich eier größten Untersetzung bei kleinen Flankenwinkeln, führen zu hohen Flächenpressungen an bestimmten Steilen der Zahniianken der Zahnstange. Auch bei kleineren Untersetzungsänderungen sind an den Zahnprofilen der Zahnstange Bereiche von sehr kleinem Radius vorhanden, an denen die Abnutzung entsprechend hoch ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist demnach darin zu sehen, bei dem Lenkgetriebe der eingangs geschilderten Art eine Vergrößerung der bisher möglichen Untersetzungsänderung zu schaffen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise das Ritzel mit schraubenförmigen Zähnen versehen ist, seine Achse einen von 90° abweichenden Winkel mit der Zahnstangenachse einschließt und in einer auf Zahnstangen- und Ritzelachse senkrechten Projektion die Flankenlinien der Zähne der Außenteile der Zahnstange mit der Ritzelachse einen in bekannter Weise durch diese Getriebekennwerte bestimmten Winkel einschließen,

ι und daß im mittleren Teil der Zahnstange die Flankenlinien von deren Zähnen mit der Ritzelachse einen Winkel einschließen, der gegenüber diesem Winkel in den Außenteilen der Zahnstange verändert ist. Lenkgetriebe, bei denen ein mit schraubenförmigen

, Zähnen versehenes Ritzel schräg zur Zahnstangenachse angeordnet ist, wobei die Flankenlinien der Zähne der Zahnstange in einer auf Ritzel- und Zahnstangenachse mit der Ritzelachse den durch die Steigung der Ritzelzähne und der Schrägstellung der Rit-

i zelachse bestimmten Winkel gegenüber der Ritzelachse einschließen, sind bekannt.

Die Erfindung bedient sich also einer Zahnstange, deren Zähne in den Außenteilen, in bekannter Weise ausgebildet sind und einen konstanten Querschnitt

, über die gesamte Breite der Zahnstange aufweisen, während eine nur kleine Gruppe von in der Mitte angeordneten Zähnen ein abweichendes Profil hat. Für die mittleren Zähne ist nämlich über die Längserstrckkung der Flankenlinien hin rin von dem bei üblichen

, Schraubrädern geltenden Gesetz für die Winkel der Zahnflankenlinicn abweichender Winkel vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vergrößerung der bisher möglichen Untersetzungsänderung zu schaffen.

, Es läßt sich ohne weiteres eine Änderung des Untersetzungsverhältnisses von 2: 1 erzielen. Trotzdem lassen sich die mittleren Zähne so ausbilden, daß sie eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Obwohl uie

hohe Untersetzungsänderung in den Außenteilen der Zahnstange einen Flankenwinke! von etwa 60° zur Folge hat (ein Winkel, der bei einem geradverzahnten Ritzel völlig untragbar wäre), so ist der sich ergebende diskontinuierliche Zahneingriff für ein Schraubenzahnritzel zulässig, da der Zahneingriff über die Breite der Zahnstange hinweg erfolgt. Auch wenn das Ritzel in einzelnen Bereichen der Zahnstange keine volle Eingriffsüberdeckung besitzt, so gilt dies immer nur für einen Teil der Zahnstangenbreite, während über die restliche Zahnstangenbreite hinweg eine ausreichende Eingriffsüberdeckung gesichert ist. Da ferner der Zahneingriff über die Zahnstangenbreite hinweg allmählich erfolgt, werden Änderungen des Zahneingriffwirkungsgrades ausgeglichen.

Die Herstellung der Zahnstange erfolgt in vorteilhafter Weise durch einen geradlinigen Räumvorgang für die Mehrzahl der Zähne, so daß nur eine kleine Anzahl von Zähnen im mittleren Bereich der Zahnstange in besonderer Weise gefertigt werden muß. Zweckmäßigerweise kann die Zahnstange durchgehend mit Zähnen versehen werden, deren Profi! den Zähnen in den Außenteilen entspricht, ;;orauf dann die mittleren Zähne in der gewünschten Weise abgeändert werden, wobei das Räumen der mittleren Zähne nur bis zu einer verhältnismäßig geringen Tiefe erfolgt. Auf diese Weise läßt sich der Herstellungsaufwand auf ein Minimum beschränken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lenkgetriebes mit Zahnstange,

Fig. 2a eine Draufsicht auf ein Ritzel, das mit in einem Bereich kleiner Untersetzung liegenden Zähnen einer Zahnstange kämmt,

Fig. 2bden Querschnitt längs der Linie Ub-Hb in Fig. 2a,

Fig. 3a eine Draufsicht auf ein Ritzel, das mit in einem Bereich großer Untersetzung liegenden Zähnen einer Zahnstange kämmt,

Fig. 3o den Querschnitt längs der Linie Ulb-Ulb in Fig. 3a,

Fig. 4a eine Draufsicht auf die eint* Hälfte einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zahnstange,

Fig. 4b den Querschnitt längs der Linie IVb-IVb in Fig. 4a,

Fig. 5 die Kennzeichnung dtr Lage der in Fig. 6 dargestellten Eingriffspunkte längs eines Zahnes der Zahnstange,

Fig. 6 die Eingriffsverhältnisse zwischen Ritzel und Zahnstange in den in Fig. 5 angegebenen Schnittebenen,

Fig. 7 eine Darstellung einiger Untersetzungsverhältnisse bei unterschiedlichen Lenkgetrieben.

Da der für das Lenkgetriebe zur Verfugung stehende Raum im allgemeinen beschrankt ist, ist es üblich, daß die Lenkwelle 10 (Fig. I) und somit das Ritzel U des Lenkgetriebes unter einem Winkel von etwa 20° bis 30° bezüglich der Fahrzcugmittellinic angeordnet sind. Der Hub der Zahnstange 12 ist außerdem durch die Radaufhängung beschränkt, und da die kleinste Anzahl von Lenkradumdrehungen durch die Lenkempfindlichkeit bei hohen Geschwindigkeiten festgelegt ist, haben die Ritzel im allgemeinen einen so kleinen Durchmesser, wie dies die Sicherheit noch zuläßt.

Wenn auch in Fig. I die Verwendung einer Servolenkung nicht angedeutet ist, so kann jedoch eine solche verwendet werden.

Die Fig. 2^ und 2b zeigen einen Zahnstangenabschnitt für eine kleine Lenkuntersetzung, bei de/ der Teilkreisradius des Ritzels nahezu an dessen Zahnkopf liegt. Die Zähne haben hier einen verhältnismäßig großen Abstand voneinander. Wenn nun dasselbe Ritzel mit einem anderen Abschnitt der gleichen Zahnstange entsprechend einem sehr kleinen Teilkreisdurchmesser kämmt, wie dies in den Fig. 3 a und 3 b gezeigt ist, haben die Zähne nun einen kleineren Abstand entsprechend der Zahnteilung (Pb), und die Zähne der Zahnstange schließen mit der Senkrechten zur Zahnstangenachse einen Winkel β ein.

Die F i g. 4 a und 4 b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Zahnstange für ein Lenkgetriebe mit Servounterstützung, wobei die Kurve 13 für die Teilkreisdurchmesser über dem größten Teil der Zahnstangenlänge in der Nähe der Zahnfüße der Zähne 14 (grobe Teilung) und somit in der Nähe der Zahnspitzen des Ritzels (nicht gezeigt) liegt, die jedoch in der Mitte der Zahnstange von dieser Form abweicht, so daß der Teilkreisradius dss Ritzeis in diesem Bereich kleiner ist. Aus den Fig. 4a und 4b ist ersichtlich, daß die Zahnstange in ihrer Mitte eine Gruppe von schrägverlaufenden Zähnen 15 aufweist, deren mittlerer Zahn den größten Winkel β besitzt. Der Winkel β der folgenden Zähne wird zunehmend kleiner, und die Zähne 14 im Bereich der graben Teilung und der kleinen Untersetzung verlaufen senkrecht zur Achse der Zahnstange, so daß in diesem Fall der Winkel y zwischen Ritzelachse und Flankenlinie der Zähne 14 größer als dieser Winkel im Bereich der Zähne IS ist. Der Winkel y ist also verändert. Die Zahnstange ist bezüglich ihrer Mittellinie symmetrisch ausgebildet. Diese Zahnstange liefert eine Lenkuntersetzung, die in Fig. 7 der Linie H folgt. Zu beachten ist, daß bei einem Lenkgetriebe mit Zahnstange die Lenkuntersetzung definiert ist durch den wirksamen Radius des Ritzels, geteilt durch die mittlere wirksame Länge des Lenkarms L (vgl. Fig. 1). Der wirksame Radius des Ritzels ändert sich mit dem Verlauf der Kurve 13 der Zahnstange (Fig. 4b), und der wirksame Lenkarm L hängt von der Lenkgeometrie des Fahrzeuges ab.

In den Fig. 5 und 6 sind die Eingriffsverhältnisse zwischen den Zähnen des Ritzels und der Zahnstange im Bereich der großen Untersetzung dargcst .1It. Zu diesem Zweck wird der Zahneingriff längs der Linie 39 betrachtet, die gegenüber dem Punkt 33, der den Schnittpunkt von Zahnstangenlängsachse und Ritzelachse in dessen Mittellage darstellt, etwas nach links verschoben ist. Um die verschieden· η Eingriffsverhältnisse entlang der Ritzelachse zu L versuchen, werden in Fig. 6 die aus Fig. 5 ersichtlichen vier Schnitte UD, EE, FF und GC, betrachtet.

Der Deutlichkeit halber werden all diese Schnitte in Fig. 6 dem p.emeinsamcn Mittelpunkt 40 überlagert, in dieser Ansicht sind die Zahnflanke!! des Ritzels wirkliche Evolventen, und somit lassen sich verschiedene Eigenschaften der Evolvente bezüglich der Eingriffspunkt· in diesem Schnitt darstellen. Wenn man somit in dieser Ansicht den Grundkreis 41 der Evolvente um den Mittelpunkt 40 schlägt und dann eine Tangente 42 an den Grundkreis dutch den Punkt 43 anlegt, der auf der Kurve 32 der Teilkreisdurchmesser liegt, wobei auf der Tangente die gleichzeitigen Hingriffspunkte ^wisch^.n dem Ritzel und der Zahnstange liegen, verläuft die Verlängerung der Tangente durch den Eingriffspunkt 44 zwischen der Zahnstange

und dem Ritzel. Da diese Konstruktion für jeden der vier Schnitte gilt, liegen die Punkte 44, 45, 46 und 47 auf einer geraden Linie, da der Teilkreisradius für jeden dieser Eingriffe der gleiche ist. Daraus folgt, daß der Flankenwinkel in jedem Fall der gleiche ist. Um nun die Eingriffsverhältnisse in diesem Augenblick zu untersuchen, ist es üblich, eine kleine Verschiebung des Ritzels z. B. zum Mittelpunkt 49 anzunehmen. Bei dem Ausführungsbeispiel hat sich das Ritzel in der Ebene D in Richtung H abgewälzt, und hierbei wurde der Punkt 43 auf der Kurve 32 natürlich verlassen. Die neue Ritzelmittellinie schneidet nun die Kurve 32 bei 50. Da der Abstand 49-50 kurzer als der Abstand 40-43 ist, hat sich der Flankcnwinkel geändert, und der neue Wert ist kleiner. Hieraus folgt, daß die den Grundkreis 52 tangierende und durch den Punkt 50 verlaufende Linie sich der den früheren Grundkreis 41 tangierenden Linie nähert und sie in einem Punkt 53 trifft. Daraus folgt jedoch, daß die momentane bzw. durchschnittliche Krümmung, die während des Bewegungsintervalls 40-49 an jeder der Flanken auftritt, durch einen Kreis angenähert wird, dessen Mittelpunkt bei 53 liegt, und es ist dann offensichtlich, daß der Eingriffsradius der einzelnen Ebenen D, E, Fund G durch die Strecken 53-47, 53-46. 53-45 und 53-44 bestimmt wird. Außerdem ist ersichtlich, daß der Radius bei 47 im Ausführungsbeispiel sehr klein ist und für größere Belastungen des Lenkgetriebes ungeeignet wäre, wenn dies nicht durch wesentlich vorteilhaftere Eingriffsverhältnisse in den anderen Ebenen ausgeglichen würde. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die Größe dieses Radius bestimmen, z. B. die Steigung der Teilungslinie (Kurve 32) und die Richtung der Zähne bezüglich der Teilungslinie in jedem Augenblick; es ist jedoch wichtig festzustellen, daß es bei einem Zahnstangen-Lenkgetriebe mit veränderlicher Übersetzung unmöglich ist. eine Teilungslinie zu konstruieren, bei der nicht zumindest in einem Querschnitt übci der Breite dor Zähne solche kleine Radien auftreten.

In Fig. 7 sind verschiedene bei Lenkgetrieben erzieibare Untersetzungen dargestellt. Die obere horizontale Linie entspricht einem herkömmlichen Lenkgetriebe mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis von 18:1. Die Linie Λ/ entspricht einem Zahnstangenlenkgetriebe veränderlicher Untersetzung, wie es in dem eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist. Wählt man einen typischen Winkel von 20° zwischen Ritzelachse und der Senkrechten auf der Zahnstangenachse, so steiit die Fläche • zwischen der oberen Linie und der Kurve M (punktierter Bereich) die Einsparung an Umdrehungen des Lenkrades zwischen einer herkömmlichen Lenkvorrichtung und der in dem genannten Stand der Technik beschriebenen Lenkvorrichtung dar; diese Einspa-

ii' rung beträgt etwa 5%.

Die untere Kurve H entspricht dem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe, die unter gleichen Bedingungen und dem gleichen Einbauwinkel eine Einsparung von etwa 25Ci (schraffierter Bereich) ergibt, wobei dies erreicht wird, ohne die eingangs erwähnten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Evolventenkurve verwendet, da sie die einfachslmögliche Herstellung des Ritzels und die am wenigsten komplizierte Form der Zahnstangenzähne im Bereich der kleinen konstanten Übersetzung mit sich bringt. Die an sich bekannten vielen Vorteile der Evolvente werden in diesem Fall jedoch nicht voll ausgenutzt: ?.. B. die Unempfindlichkeit gegenüber einer Mittelpunktverschiebung und die Einfachheit, mit der eine ganze Familie von Zahnrädern mittels eines einzigen Schneidwerkzeuges hergestellt werden kann. Die Auslegeparameter eines Zahnstangen-Lenkgetriebes sind jedoch so zwingend, daß auch andere Kurven als die Evolvente mit Vorteil eingesetzt werden können, wenn auch nur unter Inkaufnahme eines gewissen Aufwandes bei der Herstellung der Zahnstange und des Ritzels.

Wenn auch das oben beschriebene Ausführungsbeispiel ein Lenkgetriebe mit veränderlicher Untersetzung für Servounterstützung betrifft, bei dem sich das Untersetzungsverhältnis von einem großen Untersetzungsverhältnis in der Mitte zu einem kleineren konstanten Untersetzungsverhältnis über dem größ-

;■ ten Teil der Zahnstange ändert, sind natürlich auch andere Anordnungen möglich. So wird bekanntlich für manuelle Lenkgetriebe eine größere Untersetzung in den Außenteilen der Zahnstange gewünscht als in der Mitte. Im Bereich der größeren Untersetzung kann dann die Zahnstange ebenfalls in der erläuterten Weise ausgebildet sein.

Hierzu .> Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lenkgetriebe für Fahrzeuge, mit einem zur Fahrzeuglenkung betätigbaren Ritzel, das mit einer Zahnstange in Eingriff steht, an der Lenkorgane des Fahrzeugs angelenkt sind und die zur Erzielung einer über den Lenkausschlag vom der Geradeausfahrtstellung aus nach beiden Seiten abnehmenden Lenkuntersetzung in ihrem mittleren, bei Geradeausfahrtstellung mit dem Ritzel in Eingriff befindlichen Teil, eine der Ritzelachse nähergelegene Wälzbahn bildet, als in den sich an diesen mittleren Teil der Zahnstange an beiden Seiten anschließenden Außenteilen, WObEi₁ zwischen mittleren und Außenteil jeweils ein Übergangsbereich eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Ritzel (11) mit schraubenförmigen Zähnen versehen ist, seine Achse einen von 90° abweichenden Winkel mit der Zahnstangenachs«; einschließt und in einer auf Zahnstangen- und Fiitzeiachse senkrechten Projektion die Flankenlinien der Zähne (14) der Außenteile der Zahnstange (12) mit der Ritzelachse einen in bekannter Weise durch diese Getriebekennwerte bestimmten Winkel (y) einschließen, und daß im mittlerijn Teil der Zahnstange die Flankenlinien von deren Zähnen (15) mit der Ritzelachse einen Winkel einschließen, der gegenüber diesem Winkel in den Außenteilen der Zahnstange verändert ist.

2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flaⁿkenlinienwinkel der an die Außenteile angrenzenden Bereiche des mittleren Teils der Zahnstange jeweils einen Übergang zwischen dem mittleren und den Außenteilen der Zahnstange bilden.

3. Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenlinien der Zähne

(14) an den Außenteilen der Zahnstange in a η sich bekannter Weise einen Winkel von 90° mit der Zahnstangenachse einschließen.

4. Lenkgetriebe nach Anspruch 2 oder :l, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der 2Lähne

(15) im mittleren Teil der Zahnstange klenner als in jedem der Außenteile ist.