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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Zahnstangen-Lenkgetriebe, insbesondere
für Personenkraftwagen, und zwar sowohl für Handsteuerung als auch für Servolenkung.
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Zahnstangen-Lenkgetriebe setzen sich gegenüber den bekannten und weit
verbreiteten Kugelumlauf-Lenkgetrieben aufgrund ihrer Starrheit und Genauigkeit
immer stärker durch. Die bislang bekannten Zahnstangen-Lenkgetriebe weisen jedoch
noch zahlreiche Nachteile auf, die beispielsweise in dem zwischen Ritzel und Zahnstange
vorliegenden Spiel begründet sind. Zur Beseitigung dieses Spiels bediente man sich
bislang federbewehrter Halterungen oder Fiihrungen für die Zahnstange, ohne dabei
die durch das Andrücken der Zahnstange auftretenden Reibungskräfte zu berücksichtigen.
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Das zwischen Zahnstange und Ritzel auftretende Spiel führt bei den
bekannten Lenkgetrieben dazu, daß vom Lenkrad bewirkte Bewegungen teilweise nicht
übertragen werden Ferner ist beim Befahren schlechter Straßen das Lenkungsspiel
die Ursache für das Auftreten von Lenkradstößen. Die auf die Zahnstangenhalterung
wirkende Federkraft muß dabei nicht nur die aufgrund der Flankenwinkel der Getriebezähne
auftretenden
Trennkräfte zwischen Zahnstange und Ritzel überwinden,
sondern auch die von den Rädern über die Spurstangen übertragenen Kräfte. Die von
den Spurstangen ausgeübten Trennkräfte können sehr hoch sein, insbesondere dann,
wenn Stoßbeanspruchungen bei einem großen Neigungswinkel zwischen Spurstangen-und
Zahnstangenachse auftreten. Zur Vermeidung von übermäßig starken Federkräften und
der damit ungewöhnlich hohen Reibung werden nur mittlere Kräfte berücksichtigt,
so daß bei stärkeren Belastungen eine Trennung von Ritzel und Zahnstange in der
Größenordnung von 0,125 mm möglich ist. Dies führt zwar zu Geräuschen, die jedoch
durch Geringhaltung des Abstandes so klein wie möglich gehalten werden können und
üblicherweise auch nur gelegentlich auftreten.
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Für Handsteuerungen werden demnach üblicherweise Federkräfte in der
Größenordnung von 40 kp, bei Servolenkung von etwa 20 kp gewählt. Bei der Servolenkung
treten geringere Trennkräfte auf, da die Hydraulik den an der Zahnstange angreifenden
Axialkräften entgegenwirkt und damit die Zahn-Trennkräfte vermindert.
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Zur Lagerung der Zahnstange dient üblicherweise ein federbelastetes
und Zugkräfte in Axialrichtung ausübendes Gleitlager, das bei an der Zahnstange
angreifenden Axialkräften von weniger als 23 kp keine Drehung des Steuerrades bewirkt.
Die Zugkraft
der Zahnstangenhalterung ist für Servolenkgetriebe
wegen der schwächeren Federkraft zwar geringer, dies geht jedoch in den Dichtungen
von Kolbenstange und Zahnstange wieder verloren, so daß der Wert von etwa 23 kp
sowohl für Hand- als auch für Servolenkung gilt.
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Diese Zugkraft bewirkt für das Lenkrad eine schlechte Zurückstellung
in die Geradeaus-Lage, und dieser Rücklauf wäre theoretisch Null, wenn nicht die
Straßenunebenheiten den Rücklauf verursachen würden. Außerdem ist das Straßengefühl
sehr schlecht, insbesondere bei nassen oder eisigen Straßen, die nur geringe Reifenhaftkräfte
zulassen.
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Die dabei auf die Enden der Zahnstange einwirkenden Kräfte liegen
in der Größenordnung von 2 bis 5 kp und deuten dem Fahrer den Beginn des Gleitens
an.
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Treten jedoch an der Zahnstange aufgrund der Aufhängung extreme Belastungen,
beispielsweise bis zu 1500 kp, auf, dann nimmt die Zugkraft an der Zahnstangenlagerung
nur geringfügig zu, so daß die umgekehrte Wirkung des Lenkgetriebes hierbei lediglich
von 70 auf etwa 90 % steigt.
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Dabei wird ein unerwünscht starker Stoß auf den Fahrer übertragen.
Die hierbei auftretenden Kräfte sind um etwa 500-mal größer als zuvor.
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Man erkennt, daß der Einfluß der Reibung einer bekannten Zahnstangenhalterung
anders als der zur Steuerung erforderliche Einfluß ist, worin auch einer der wesentlichen
Nachteile der bekannten Lenkgetriebe liegt.
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Es ist bereits bekannt, das Lenkgetriebe zur Verminderung der Stoßbelastungen
in Gummibuchsen zu lagern, dies verschlechtert jedoch die Genauigkeit und Steifheit
der an sich guten Zahnstangenlenkung.
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Zur Verbesserung des "Straßengefühls" ist außerdem die Verwendung
von Wälzlagern anstelle von Gleitlagern für die Zahnstangenhalterung bekannt. Man
ist der Ansicht, daß diese Art der Zahnstangenlagerung das Lenken beim Einparken
zusätzlich erleichtert. Die übertragung von Stoßbeanspruchungen erfolgt jedoch noch
ungedämpfter als bei den zuvor beschriebenen Lenkgetrieben.
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Ein weiterer Nachteil von wälzlager-gehalterten Zahnstangen liegt
darin, daß in dem geringen zur Verfügung stehenden Montageraum keine ausreichend
starken Wälzlager zur Aufnahme der starken Straßenstöße unterbringbar sind.
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Eine derartige Lagerung zeigt die US-PS 3 427 387, bei der eine Halterungsfeder
gegen die Rückseite der Zahnstange drückt. Zum Auffangen von Stoßbelastungen sowie
zur
Aufnahme von hohen Lagerbelastungen ist die bekannte Anordnung jedoch nicht geeignet.
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Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Lenkungsgetriebe
zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Lenkungsgetriebe gemäß Hauptanspruch.
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Das erfindungsgemäße Lenkungsgetriebe weist eine zweiphasige Zahnstangenhalterung
mit einem oder mehreren federbelasteten Wälzelementen auf, die im Normalbetrieb,
also bei der Einwirkung geringer Kräfte, die Zahnstange gegen das Ritzel drücken.
Die Zahnstangenhalterung besitzt ferner im Winkel zueinander stehende ebene Führungen
oder Lagerflächen an gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange, die im Normalbetrieb,
also bei geringen äußeren Kräften einen geringen Abstand zur Zahnstange aufweisen.
Dieser vorgegebene geringe Abstand liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 0,075
mm; er ist am Lenkgetriebe einstellbar.
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Bei einer bestimmten Belastung bewegt sich das federbelastete Wälzelement
vom Ritzel weg und gestattet der Zahnstange ein Nachrücken in den geringen Abstand,
so
daß sie an den im Winkel zueinander stehenden Führungsflächen
anliegt. Unter Einfluß von Stoßbelastungen nehmen Gleitlager somit die Trennkräfte
auf.
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Die Wirksamkeit eines derartigen Lenkgetriebes ist für geringe Belastungen,
bei denen die Wälzelemente die Zahnstange tragen, verhältnismäßig hoch, sie wird
jedoch wesentlich geringer, wenn sich die Zahnstange vom Ritzel weg bewegt und die
ebenen Führungsflächen die Zahnstange wie bei Stoßbelastungen unterstützen.
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Wie zuvor muß die Belastung, bei der die Wälzelemente sich vom Ritzel
weg bewegen, groß genug sein, um die mit den Zahnflankenwinkeln zusammenhängenden
Trennkräfte zu überwinden, damit das Lenkgetriebe keine Rüttelbewegung überträgt.
Diese Belastung liegt wie zuvor bei etwa 40 kp.
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Die Wirksamkeit sollte im Wälzelementbetrieb so hoch wie möglich und
im Gleitlagerbetrieb so gering wie möglich sein. Wenn diese Unterschiede jedoch
lediglich auf die Belastungsgrößen am Lenkgetriebe zurückzuführen wären, dann würde
dies weiterhin unzufriedenstellend sein. Denn beim Einparken sind die Belastungen
beispielsweise hoch, und auch die Wirksamkeit des Lenkgetriebes muß zum leichten
Lenken möglichst hoch sein.
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Es ist daher von Bedeutung, daß die stark oder gering wirksamen oder
empfindlichen Betriebsweisen davon abhängen, ob die auftretenden Belastungen von
dem das Steuerrad drehenden Fahrer oder von Straßenstößen herrühren. Auf verschiedene
Weise ist eine derartige Betriebsunterscheidung möglich.
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Erstens ist der Wirksamkeits- oder Empfindlichkeitsunterschied zwischen
den beiden Betriebsarten durch stärkere Neigung der Führungsflächen in bezug aufeinander
vergrößerbar, so daß sie in der Praxis ein V-Lager bilden. Dadurch erhöht sich die
Reibung für eine bestimmte Größe der Trennkräfte von Zahnstangen- und Ritzel-Zähnen.
Eine derartige Anordnung liegt bei im Querschnitt dreieckiger Zahnstange zufällig
vor und wird beim Gegenstand der parallelen australischen Patentanmeldung, PC 4436/75
(20558/76) zusammen mit maximaler Zahnfestigkeit und Zahnstangenbiegefestigkeit
angestrebt. Für die Funktionsweise der dreieckigen Zahnstange ist von wesentlicher
Bedeutung, daß diese in ihren Führungen ein wenig frei rollen kann. Dies gilt auch
für das erfindungsgemäße Lenkgetriebe. Wäre ein derartiges freies Rollen nicht zulässig,
dann würden große Schwierigkeiten bei der Bildung des feinen Abstandes zwischen
den Gleitlagerflächen an der Zahnstange im Normalbetrieb auftreten, was für einen
zufriedenstellenden Betrieb des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes so wichtig ist.
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Die Figuren zeigen eine dreieckige Zahnstange in Verbindung mit einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, obgleich das erfindungsgemäße Lenkgetriebe auch
mit anderen, üblich geformten Zahnstangen durchführbar ist, die ein Rollen, wie
beispielsweise eine runde Stange, zulassen.
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Zum Zweiten ist die Größe der Trennkräfte durch Verwendung eines größeren
Zahndruckwinkels steigerbar, insbesondere in der Nähe des Mittelbereichs, in dem
die Lenkung häufig arbeitet und am stärksten rüttelanfällig ist. Ein üblicher Druckwinkel
beträgt 20°. Derartige Zähne sind zufällig auch in Verbindung mit einem Zahnstangengetriebe
mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis und Handbetrieb in der australischen Patentschrift
462 162 beschrieben, wobei die Mittelzähne einen Druckwinkel von 30 bis 350 haben.
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Drittens ist die gewünschte Empfindlichkeitstrennung zwischen den
vom Fahrer und den von der Radaufhängung ausgeibten Kräften zum Teil von der Gleitwirkung
zwischen den Zahnflächen von Ritzel und Zahnstange erhalten. Dies gilt insbesondere
dann, wenn die Zähne so geformt sind, daß das Ritzel voll nachläuft und nicht vorläuft.
Die Gleit- oder Reibungskraftvektoren zwischen den Zähnen neigen zur Vergrößerung
der Trennkräfte beim Treiben des Ritzels durch die Zahnstange und verringern die
Kraft, wenn das Ritzel die Zahnstange treibt.
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Schließlich ist eine weitere Empfindlichkeitsdifferenz durch sorgfältige
Auswahl der Zahnsteigungswinkel und des Neigungswinkels von Ritzelachse zur Zahnstange
erhältlich. Dies ist dem Lenkgetriebefachmann aber geläufig.
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Die Erfindung umfaßt somit ein Zahnstangen-Lenkgetriebe mit zweiphasiger
Zahnstangenhalterung, wobei eine erste und eine zweite Halterung vorgesehen sind.
Die erste Halterung umfaßt ein oder mehrere Wälzelemente, die auf einer Fläche oder
auf Flächen der Zahnstange im wesentlichen an der den Zähnen abgewandten Seite der
Zahnstange liegen. Die erste Halterung ist mit Federn gegen die Zahnstange gedrückt,
um diese bei geringen Steuerkräften in einem ersten oder normalen Betriebszustand
spielfrei gegen das Ritzel zu drükken. binde zweite Halterung umfaßt Gleitlagerflächen,
die an einer Fläche oder an Flächen der Zahnstange anliegen, welche den Zähnen der
Zahnstange gegenüberliegt. Die Gleitlagerflächen liegen jedoch normalerweise in
einem geringen vorgegebenen Abstand zu diesen Zahnstangenflächen. Der Abstand ist
einstellbar, und die erste Halterung sowie die Zahnstange sind derart angeordnet,
daß sie unter dem Einfluß hoher Lenkkräfte vom Ritzel weg bewegbar sind und die
Zahnstange damit auf der zweiten Halterung aufliegt.
Vorzugsweise
sind die erste und zweite Halterung derart angeordnet und aufgebaut, daß sie bei
der Aufnahme sowohl der normalen, geringen Lenkkräfte als auch der höheren Lenkkräfte
eine geringe Drehung der Zahnstange um ihre Achse infolge von Verbiegungen oder
leichten Ausrichtfehlern der Zahnstange beim Kämmen mit dem Ritzel nicht verhindern.
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Vorzugsweise stehen die Gleitlagerflächen der zweiten Halterung schiefwinklig
zueinander, und zwar so, daß zur Erhöhung der Zugkraft der Zahnstange bei starken
Belastungen ein Keileffekt auftritt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert;
es zeigen: Figur I eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes
in Verbindung mit einer Autoachse; Figur II einen Teilschnitt durch die Längsachse
der Zahnstange an der Stelle X aus Figur I; Figur III einen Schnitt entlang der
Linie A-A aus Figur II; Figur IV einen Teilschnitt an der Stelle X aus Figur I;
Figur V einen Schnitt entlang der Linie A-A aus Figur IV; und
Figur
VI einen Teilschnitt entlang der Linie B-B aus Figur IV.
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Figur I zeigt eine Lenkwelle 1 mit einem ein Ritzel 2 über eine Gelenkkupplung
3 treibenden Lenkrad. Eine Drehung des Ritzels 2 bewirkt eine Ouerverschiebung einer
Zahnstange 4, von Spurstangen 7 und von Spurarmen 8, wodurch eine Lenkbewegung des
linken und rechten Rades 9 um ihre zugehörige Lenkachse 10 bewirkt wird. Die Zahnstange
4 gleitet in einem Lager 5 und einer Zahnstangenhalterung 6, welche beide an einem
am Fahrzeugrahmen befestigten Gehäuse untergebracht sind. Das außerdem die Lager
für das Ritzel 2 tragende Gehäuse ist aus übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
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Figur I zeigt eine Ansicht der Fahrzeugachse von vorn, wobei die auf
und ab Bewegungen der Räder 9 ein Ausschwenken der Spurstangen 7 in die durch 11
und 12 angedeuteten Endstellungen bewirken. Die üblicherweise einstückig ausgebildete
Zahnstangenhalterung 10 wird von einer Feder 13 derart nach oben gedrückt, daß die
Zahnstange im Normalbetrieb spielfrei mit dem Ritzel 2 kämmt.
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Man erkennt, daß bei in Stellung 11 befindlicher linker Spurstange
7 und gleichzeitigem Auftreten von Druckkräften, oder in Stellung 12 beim Auftreten
von Zugkräften, eine Belastung der Feder 13 durch die Zahnstangenhalterung 6 in
dem
Sinne besteht, daß die Feder 13 nach unten bewegt und die Zahnstange 4 vom Ritzel
2 getrennt wird.
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Im allgemeinen liegen die Spurstangen 7 im wesentlichen horizontal
und damit koaxial zur Zahnstange 4, so daß keine derartigen Trennungen seitens der
Spurstangenkräfte zu befürchten ist. Dies gilt für die normale Fahrhöhe des Autos.
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Die Figuren II und III zeigen eine bevorzugte Ausführung einer zweiphasigen
Zahnstangenhalterung, die zwei Lagerhalterungen 14, und zwar je eine an jeder Seite
der Zahnstange 4, sowie eine zwischen den Lagerhalterungen 14 liegende Rollhalterung
15 umfaßt.
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Die Rollhalterung 15 umfaßt einen gefalteten Blechkäfig 16 mit zwei
Stiften 17, die zwei Walzen 18 in einem Nadellager 19 tragen.
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Der Käfig 16 ist durch eine oder mehrere Blattfedern 20 nach oben
gedrückt und preßt die Zahnstange 4 in engen Eingriff mit dem Ritzel 2.
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Das Ritzel 2 ist in im Gehäuse 22 untergebrachten Lagern 21 sowie
in nicht dargestellten Schublagern für die Aufnahme der
vom spiralverzahnten
Ritzel erzeugten Axialkräfte gelagert.
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Die Zugstangenhalterungen 14 passen eng in das Gehäuse 22 und sind
in vertikaler Richtung mittels einer Ausgleichsplatte 23 derart einstellbar, daß
der Abstand von Zahnstange zu Halterung an der Stelle 25 etwa 0,075 mm beträgt.
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Die Blattfedern 20 sind so ausgelegt, daß sie eine Kraft von etwa
35 kp von den Rollen 18 auf die Zahnstange 14 übertragen. Beim Eingriff einer Flanke
eines Ritzelzahns an der Stele 26 mit der geneigten Flanke eines Zahns an der Stelle
27 bewirkt einen Vektor, der die Zahnstange vom Ritzel wegzubewegen versucht. Wie
zuvor erwähnt, reicht dies im allgemeinen zum Wegdrücken der Federn 20 nicht aus,
um die Zahnstange frei auf den Walzen zu bewegen. Wenn aufgrund von schwachen Seitenkräften
eine Berührung zwischen der Zahnstange und den Lagerflächen der Gleitlagerungen
14 auftritt, dann geschieht dies nur mit einer der Flächen und nicht mit beiden
zugleich. Sind die Spurstangen jedoch in die Stellungen 11 oder 12 gebracht und
wirken gleichzeitig große Zug- oder Druckkräfte, dann werden die Federn 20 zusammengedrückt
und die Zahnstange nach unten bewegt, so daß sie auf den Gleitlagerflächen 14 aufliegt.
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Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Zahnstange 4 hat einen
dreiecksförmigen Querschnitt mit abgeschnittenen
Ecken. Diese abgeschnittenen
Flächen sind gebogen und besitzen einen Krümmungsmittelpunkt, der etwa dem Dreiecksmittelpunkt
bei 28 entspricht. Es wird darauf hingewiesen, daß die Gleitlagerflächen 14 im Schnitt
etwas konvex sind und einen Krümmungsradius besitzen, der vorzugsweise dem Abstand
zum Mittelpunkt 28 entspricht. Dadurch ist ein leichtes Rollen der Zahnstange 4
um ihre Achse 27 möglich, wie dies bei Veränderungen des Eingriffs mit dem Ritzel
2 erfolgt. Dadurch wird der bei 25 eingestellte feine Abstand nicht verändert und
die freie Hin- und Herbewegung der Zahnstange 4 in ihrer Rollhalterung nicht beeinflußt.
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Unter starken Beanspruchungen bei auf den Halterungen 14 laufenden
Flächen stellt sich ein Keileffekt aufgrund der gegeneinander gerichteten Neigung
ein, was die Zugkraft oder Reibung erhöht. Dies bringt eine stärkere Unterdrückung
der Rückkopplung der starken Kräfte auf den Fahrer mit sich, als wenn der Winkel
zwischen benachbarten Lagerflächen der Zahnstangenhalterung 14 größer wäre.
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Die Figuren IV und V zeigen eine andere Ausführung der zweiphasigen
Zahnstangenhalterung, wobei die Wälzlager an gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange
liegen Die Zahnstangenhalterung 30 besteht in dieser Ausführung vorzugsweise aus
einem Stück und liegt wie die zuvor beschriebene Zahnstangenhalterung
14
an jeder Seite der Zahnstange an. Die Rollhalterungen 31 sind in dieser Ausführung
jedoch zu beiden Seiten der Zahnstangenmittellinie angeordnet, und die Zahnstangenhalterungen
sind zur Bildung eines Spalts an der Stelle 32 ausgenommen. Die Lagerflächen der
Zahnstangenhalterung 30 umfaßt nun vier getrennte Stege 33.
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Die Rollen 31 sind wie zuvor auf Nadellagern 34 gelagert, sie werden
in der vorliegenden Ausführung jedoch von Schwenkarmen oder Achsen 35 getragen,
die mit ihren unteren Enden an der Zahnstangenhalterung 30 befestigt sind. Diese
Achsen 35 sind zur Vergrößerung ihrer Flexibilität über einen Teil ihrer Länge bei
36 zu einer Rechteckform reduziert. Die starre Befestigung der Achsen 35 wird dadurch
erreicht, daß in der Zahnstangenhalterung 30 genaue Löcher für die Aufnahme der
Achsen 35 vorgesehen sind und die gegeneinander gerichteten Flächen 37 eine Abschrägung
aufweisen. Zusätzlich dient eine gegen die von den Reduzierungen gebildeten Schultern
liegende Stellschraube 38 zur Befestigung der Achsen 35. Es sind aber auch andere
Befestigungsmöglichkeiten denkbar.
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Die in der normalen Betriebslage dargestellten eingesetzten Achsen
35 werden aus ihrem freien Zustand derart abgelenkt, daß der Mittelpunkt 37 der
Rollenlagerung im freien Zustand bei 38 liegt. Im montierten Zustand übt jede der
Rollen auf
die zugehörige Seite der Zahnstange eine vorgegebene
Kraft von beispielsweise 40 kp aus. Die nach oben gerichtete Resultierende dieser
Normalkraft beträgt für eine dreiecksförmige Zahnstange mit 600-Seitenwinkeln 20
kp, so daß die gesamte nach oben gerichtete Kraft der zwei Rollen wie zuvor 40 kp
beträgt.
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Im Normalbetrieb soll wiederum ein geringer Abstand von etwa 0,075
mm gemäß Figur VI zwischen den Halterungsflächen 33 und der Zahnstange vorliegen.
Dieser kleine Abstand ist durch Verdrehen einer Stellschraube 39 einstellbar, indem
die Zahnstangengleithalterung zusammen mit der Rollenhalterung in gewünschter Weise
auf und ab bewegt wird. Zur Verriegelung der Stellschraube 39 dienen geeignete,
nicht dargestellte Befestigungsmittel.
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Auch bei dieser Ausführung kann die Zahnstange 4 etwas um ihre Achse
rollen, wobei die Zahnstangenhalterungt låchen um einen bei 40 liegenden Mittelpunkt
gekrümmt ausgeführt sind.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführung entspricht im wesentlichen der
Wirkung der zuvor beschriebenen Ausführung, man erkennt jedoch, daß die Rollen 31
die Zahnstange mittig im Zwischenraum in der Zahnstangenhalterung 30 zu halten
versuchen
da hier die Rollen 15 keinen Zentriereffekt bewirken. Die zuletzt beschriebene Ausführung
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Ritzel 2 eine steile Schraubverzahnung
aufweist, die starke Seitenkräfte auf die Zahnstange ausübt.
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