DE2920196C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zahnstangentrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei einem Zahnstangentrieb wirken die Ritzelzähne mit einer Reihe von Nuten in der Zahnstange zusammen, so daß diese bei Drehung des Ritzels in Längsrichtung verschoben wird. Das am Ritzel angreifende Drehmoment wird somit über die Ver­ zahnung auf die Zahnstange übertragen. An der Verzahnung ent­ steht im allgemeinen auch eine Trennkraft, die die Zahnstange vom Ritzel abzuheben sucht, so daß eine verhältnismäßig starke Feder erforderlich ist, um die Zahnstange mit dem Ritzel in Eingriff zu halten. Hieraus resultieren im Eingriffsbereich zwischen Ritzel und Zahnstange Reibungskräfte, die der Drehung des Ritzels und der Längsverschiebung der Zahnstange entgegen­ wirken, so daß sich das Ritzel nicht leichtgängig, sondern nur mit merklicher Kraftanstrengung drehen läßt.

Ein Zahnstangentrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs ist aus der DE-OS 22 11 725 be­ kannt. Bei diesem bekannten Zahnstangentrieb treten auf­ grund der vorgesehenen Feder im Eingriffsbereich zwischen Ritzel und Zahnstange relativ hohe Reibungskräfte auf, die einer Drehung des Ritzels und einer Längsverschiebung der Zahnstange entgegenwirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zahnstan­ gentrieb der angegebenen Art zu schaffen, der eine beson­ ders niedrige Reibung zwischen Ritzel und Zahnstange aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zahnstan­ gentrieb mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die zwischen Ritzel und Zahnstange auftretende Reibung beträchtlich reduziert, so daß insgesamt der mechanische Wirkungsgrad verbessert werden kann.

Ergänzend zum Stand der Technik sei noch auf die CH-PS 4 08 550 verwiesen, aus der es bekannt ist, bei einem schrägverzahnten Satz aus ineinandergreifenden Elementen kreisbogenförmige Zahnprofile vorzusehen.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt eines Zahnstangentriebs;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt eines Ritzelzahns und einer Zahnstangennut;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des gestrichelten Ausschnitts der Fig. 1 bei niedriger Drehmomenten­ beaufschlagung des Zahnstangentriebs; und

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, jedoch bei erhöhter Drehmomentenbeaufschlagung des Zahn­ stangentriebs.

Gemäß Fig. 1 enthält ein schräg verzahntes Ritzel 10 eine Welle 12, welche in herkömmlicher Weise mit einem (nicht gezeigten) Lenkrad gekoppelt ist. Eine Zahnstange 14 ist in einem nur teilweise gezeigten Gehäuse 16 beweglich gelagert und wird durch eine Feder 18 mit dem Ritzel 10 in Eingriff gedrückt. Das Ritzel 10 enthält eine Reihe von Ritzelzähnen 20, und die Zahnstange 14 ist mit einer Reihe von Nuten 22 versehen, mit denen die Ritzelzähne 20 in kämmendem Eingriff stehen.

Gemäß Fig. 2 greift ein einzelner Ritzelzahn 20 in eine Zahnstangen­ nut 22 ein, jedoch ohne diese zu berühren. Der Ritzelzahn 20 ist durch eine rechts- und eine linksseitige Flanke 24 bzw. 26 begrenzt. Die Ritzelzahnflanken 24 und 26 sind kreisbogenförmig gekrümmt, wobei der Punkt A der Krümmungsmittelpunkt der rechten Ritzelzahnflanke 24 und der Punkt B der Krümmungsmittelpunkt der linken Ritzelzahnflanke 26 ist. Die Zahnstangennut 22 ist durch eine rechte Gegenfläche 28 und eine linke Gegenfläche 30 be­ grenzt, die ebenfalls kreisbogenförmig gekrümmt sind, wobei der Punkt C der Krümmungsmittelpunkt der rechten Gegenfläche 28 und der Punkt D der Krümmungsmittelpunkt der linken Gegenfläche 30 ist. Der Krümmungsradius der beiden Gegenflächen 28 bzw. 30 ist etwas größer als der Krümmungsradius der beiden zugeordneten Ritzelzahnflanken 24 bzw. 26 bemessen. Die Größendifferenz der Krümmungsradien liegt je nach Größe des Ritzels und der Zahn­ stange zwischen 1% und 15% und vorzugsweise bei 5%.

Die Ritzelzähne 20 sind mit abgeflachten Zahnköpfen 32 versehen, um bei Drehung des Ritzels 10 einen kämmenden Eingriff der Ritzelzähne 20 mit den Zahnstangennuten 22 zu ermöglichen. Obwohl in den Figuren nur ein einziger Ritzelzahn 20 in kämmendem Eingriff mit der Zahnstange 14 gezeigt ist, stehen in Längsrichtung des schräg verzahnten Ritzels 10 natürlich weitere Ritzelzähne mit der Zahnstange 14 in Eingriff.

Wie Fig. 3 zeigt, kann das Ritzel 10 zur Längsverschiebung der Zahnstange 14 mit einem schwachen Drehmoment beaufschlagt wer­ den. Die vom Ritzelzahn 20 an die linke Gegenfläche 30 der Zahn­ stange 14 übertragene Normalkraft F enthält eine vertikale Komponente, die auf die Zahnstange 14 in Richtung einer Kon­ pression der Feder 18 und einer Trennbewegung der Zahnstange 14 vom Ritzel 10 wirkt. Wenn das Ritzel 10 mit einem erhöhten Drehmoment beaufschlagt wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, nimmt die Vertikalkomponente der Normalkraft F zu und trennt die Zahnstange 14 entgegen der Kraft der Feder 18 geringfügig vom Ritzel 10. Infolgedessen verschiebt sich der Angriffs­ punkt der Normalkraft F längs der Ritzelzahnflanke 26 und der Gegenfläche 30 zur Oberseite 34 der Zahnstange 14 hin. Wegen der Kreisbogenform der linken Ritzelzahnflanke 26 und der lin­ ken Gegenfläche 30 wird die Normalkraft F bei einer solchen Trennbewegung der Zahnstange und des Ritzels von einem Winkel von etwa 35° bezüglich der Horizontalen (Fig. 3) auf einen Winkel von etwa 5° gegenüber der Horizontalen (Fig. 4) zurück­ gesteuert. Somit wirkt im wesentlichen die gesamte Normalkraft F in Richtung einer Querverschiebung der Zahnstange 14. Da die Krümmungsmittelpunkte B und D nahe beieinander liegen, wird durch eine geringfügige Trennbewegung zwischen der Zahnstange 14 und dem Ritzel 10 eine starke Änderung der Wirkungsrichtung der Normalkraft F erreicht. Dies ergibt sich aus der Geometrie der Gegenfläche 30 und der Ritzelzahnflanke 26, weil die Wir­ kungsrichtung der Normalkraft F stets durch die beiden Krüm­ mungsmittelpunkte B und D verläuft.

Da die Trennkräfte zwischen Ritzel und Zahnstange unter starker Last mit einer geringfügigen Trennbewegung kompensiert werden, ist es möglich, die Federkraft der Druckfeder 18 zu verringern, um eine geringfügige Trennbewegung zwischen Zahnstange und Ritzel zuzulassen, wenn am Ritzel ein Drehmoment angreift. Bei Verwendung einer schwachen Feder 18 wird die Reibung, die unter geringer Last infolge des Eingriffs zwischen Zahnstange und Rit­ zel entsteht, reduziert und der mechanische Wirkungsgrad ver­ bessert.

Der Zahnstangentrieb behält auch dann die obenerwähnten Eigen­ schaften, wenn die gezeigte Kreisbogenform der Flanken 24, 26 und der Gegenflächen 28, 30 geringfügig abgewandelt wird.

Wenn sich unter hohen Belastungen die Zahnstange 14 gering­ fügig vom Ritzel 10 abhebt, wirkt die aus dem Eingriff zwi­ schen Zahnstange und Ritzel resultierende Reibung einer sol­ chen Trennbewegung entgegen und sorgt gemeinsam mit der Feder 18 dafür, daß die Ritzelzähne und die Zahnstangennuten in Ein­ griff bleiben. Gemäß der für die Kraftübertragung theoretisch optimalen Zahn- und Nutenform würden die Zähne die Nuten voll­ ständig ausfüllen. In der Praxis wird die Verwendung einer sol­ chen vollständigen Verzahnung jedoch durch die Gleitreibung und den kämmenden Eingriff zwischen Ritzelzahn und Zahnstangen­ nut begrenzt. Die gezeigte Verzahnung kommt der theoretisch optimalen Verzahnungsgeometrie sehr nahe und hat gleichzeitig eine im Hinblick auf die Reibung und den kämmenden Zahneingriff brauchbare Zahn- bzw. Nutenform.

Wenn das Ritzel 10 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, wird die Normalkraft zwischen dem Ritzel 10 und der Zahnstange 14 in entsprechender Weise von der Ritzelzahnflanke 24 auf die Gegenfläche 28 übertragen.

Claims (1)

1. Zahnstangentrieb mit einem auf einer Welle angeordneten Ritzel, einer Zahnstange, deren Nuten mit den Zähnen des Ritzels kämmen, und einer die Zahnstange mit dem Ritzel in Eingriff haltenden Feder, wobei Ritzel und Zahnstange je nach Drehrichtung über die rechtseitige Ritzelzahnflanke und rechte Gegenfläche der Zahnstan­ gennut oder die linksseitige Ritzelzahnflanke und linke Gegenfläche der Zahnstangennut miteinander in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ritzelzahnflan­ ken (24, 26) im wesentlichen kreisbogenförmig und die Gegenflächen (28, 30) der Zahnstangennut (22 ) ebenfalls im wesentlichen kreisbogenförmig, den Ritzelzahnflanken (24, 26) jeweils zugekehrt ausgebildet sind, daß der Krümmungsradius der Gegenflächen (28, 30) geringfügig größer als der der Ritzelzahnflanken (24, 26) bemessen ist und daß sich der Berührungspunkt zwischen Ritzel (10) und Zahnstange (14) bei ansteigendem Antriebsmoment längs der Ritzelzahnflanken (24, 26) zur Oberseite (34) der Zahnstange (14) hin verschiebt.