DE4230957A1

DE4230957A1 - Zahnstangen-Hilfskraftlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4230957A1
Application number: DE19924230957
Authority: DE
Inventors: Wilfried Leutner; Helmut Knoedler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1994-03-17
Also published as: WO1994006667A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangen- Hilfskraftlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einer derartigen Hilfskraftlenkung ist in einem Lenkgehäuse ein Ritzel drehbar gelagert. Eine Zahnstange ist in dem Lenkgehäuse axial verschiebbar geführt und wird durch ein federbelastetes Druckstück in Eingriff mit dem Ritzel gehalten. Zur Hilfskraftunterstützung dient ein Servomotor, der trieblich mit der Zahnstange verbunden ist. Eine Steuereinrichtung für die Steuerung eines Druckmittels zu und von dem Servomotor ist in Abhängigkeit von einer Bewegung des Ritzels verstellbar.

Eine derartige Zahnstangen-Hilfskraftlenkung ist bekannt aus der EP-B1-01 92 641. Bei dieser Ausführung entsteht durch die Schrägverzahnung des Ritzels eine Kraftkomponente auf das Ritzel in axialer Richtung, so daß das Ritzel in axialer Richtung verstellbar ist. Durch diese Axialverschiebung des Ritzels können die Steuerventile verstellt werden. Die bekannte Hilfskraftlenkung arbeitet nach dem Prinzip der geschlossenen Mitte. Dadurch wird der Energiebedarf gering gehalten.

Für eine einwandfreie Funktion der Steuerventile sollte der Schrägungswinkel des Ritzels möglichst über 35 Grad liegen. Dadurch wird die Wahl der Ritzelverzahnung stark eingeschränkt. Die Betätigung der Steuerventile kann dadurch beeinträchtigt werden, daß die Querkräfte, die auf die Zahnstange wirken, sich an dem Ritzel abstützen und so die Reibung für die Axialverschiebung des Ritzels erhöhen können. Die bekannte Zahnstangen-Hilfskraftlenkung läßt sich dann nicht verwenden, wenn im Durchmesserbereich des Ritzelgehäuses nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Mängel ohne konstruktiven Mehraufwand zu vermeiden. Insbesondere soll der Einsatz von Ritzeln mit unterschiedlichen Schrägungswinkeln möglich sein, auch mit Schrägungswinkeln, die unter 35 Grad liegen. Gleichzeitig soll sich der Energiebedarf beim Betrieb der Lenkung nicht wesentlich ändern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Zahnstangen-Hilfskraftlenkung gelöst. Die Lösung erfolgt insbesondere dadurch, daß das Ritzel schwenkbar in einem Festlager und in einem Loslager gelagert ist. Dabei ist die Steuereinrichtung in der Form eines Kolbenventils ausgebildet, das im Bereich des Loslagers angeordnet ist und dessen Achse im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Ritzels steht. Dies bedeutet, daß zur Betätigung des Steuerventils nicht die auf das Ritzel wirkenden Axialkräfte ausgenützt werden, sondern die Querkräfte. Wird nämlich an der Lenkspindel gedreht, so wälzt sich die Verzahnung des Ritzels zunächst in der Verzahnung der noch feststehenden Zahnstange ab und bewegt damit den in dem Loslager geführten Lagerzapfen des Ritzels, so daß das Kolbenventil verstellt wird. Zur Betätigung und Steuerung des Kolbenventils genügen kleine Bewegungen des Ritzels. Durch diese minimalen Steuerwege und die damit zusammenhängenden geringen Bewegungen des Ritzels in seinem Loslager ist es möglich, das Ritzel auf einer Seite, beispielsweise auf der Lenkspindelseite, mit einem Festlager zu lagern. Der Schwenkwinkel des Ritzels ist dann so gering, daß die Schränkung innerhalb der Verzahnung im zulässigen Bereich bleibt. Um den Energieverbrauch beim Betrieb der Lenkung niedrig zu halten, wird eine Einrichtung zur Detektion der Bewegungen des Ritzels und damit des Lenkmoments vorgesehen. Über diese Einrichtung kann die Drehzahl der Servopumpe, abhängig von wenigstens einem Parameter, wenigstens dem Lenkmoment, dem jeweiligen Bedarf an Fördermenge und Förderdruck angepaßt werden.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Wird die Servopumpe von einem Elektromotor angetrieben, so kann eine Einrichtung zur Detektion der Bewegungen des Ritzels bzw. des Lenkmoments verwendet werden, die analog arbeitet. Dazu kann ein induktiv arbeitender Sensor mit dem Kolben des Kolbenventils in Verbindung stehen. Mit Hilfe der Signale dieses Sensors kann die Drehzahl der Servopumpe und damit deren Fördermenge und Förderdruck durch Veränderung der Spannung und/oder des elektrischen Stromes verändert werden. Bei einer vereinfachten Ausführung wird die von dem Elektromotor angetriebene Servopumpe durch einen Schalter bei Überschreiten eines bestimmten Lenkmoments eingeschaltet und bei Unterschreiten eines bestimmten Lenkmomentes ausgeschaltet. Wird dagegen die Servopumpe von dem Fahrzeugmotor angetrieben, so kann die Pumpe über eine dazwischengeschaltete Kupplung ein- und ausgeschaltet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Zahnstangen-Hydrolenkung;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Zahnstangen- Hilfskraftlenkung der Fig. 1 im Bereich des Ritzels;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Kolbenventils;

Fig. 4 und 5 Ausführungsbeispiele des Antriebs der Servopumpe.

In einem Lenkgehäuse 1 ist ein Ritzel 2 in zwei Lagern 3 und 4 drehbar gelagert. Das Ritzel 2 trägt an seinem einen Ende einen Lenkspindelanschluß 5 für den Anschluß an ein Lenkorgan, beispielsweise eine nicht dargestellte Lenkspindel mit einem Lenkhandrad. Eines der Lager, vorzugsweise das Lager 3, das in der Nähe des Lenkspindelanschlusses 5 liegt, ist als Festlager ausgebildet. Das andere Lager, vorzugsweise das Lager 4, das dem Lenkspindelanschluß 5 abgewandt ist, ist als Loslager ausgebildet.

Das Ritzel 2 steht über seine Verzahnung in Eingriff mit einer Zahnstange 6, die in dem Lenkgehäuse 1 axial verschiebbar geführt ist. Die Zahnstange 6 wird mit Hilfe eines federbelasteten Druckstückes 7 in bekannter Weise gegen die Verzahnung des Ritzels 2 gedrückt. Das Ritzel 2 stützt sich an seiner einen Seite in dem Festlager 3 und an seiner anderen Seite über das Loslager 4 in dem Lenkgehäuse 1 ab. Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Außenring 8 des Loslagers 4 und dem Lenkgehäuse 1 ein Druckplättchen 10, das fest mit dem Lenkgehäuse 1 verbunden ist. Das Druckplättchen 10 dient dazu, eine reibungsarme und verschleißarme Bewegung des Loslagers 4 zu ermöglichen. Der Außenring 8 des Loslagers 4 kann auf dem Druckplättchen 10 abrollen. Da die Bewegung des unteren Teiles des Ritzels 2 und des Loslagers 4 jedoch klein ist, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung erklärt werden wird, kann man gegebenenfalls auf das Druckplättchen 10 verzichten.

Zur Hilfskraftunterstützung dient ein Servomotor 11, dessen Kolbenstange 12 fest mit der Zahnstange 6 verbunden ist. Der Servomotor 11 enthält zwei Zylinderräume 13 und 14, die über Arbeitsleitungen 15 und 16 mit zwei Zylinderanschlüssen 17 und 18 einer Steuereinrichtung 20 verbunden sind. Die Steuereinrichtung 20 weist außerdem noch einen Zulaufanschluß 21, an den eine Druckmittelquelle angeschlossen ist. An zwei Rücklaufanschlüssen 23 und 24 ist ein Behälter 25 angeschlossen.

Die Steuereinrichtung 20 enthält ein Kolbenventil 26, dessen Achse im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Ritzels 2 steht. Das Kolbenventil 26 ist im Bereich des Loslagers 4 angeordnet.

Das Kolbenventil 26 enthält einen Kolben 27, der in einer Bohrung 28 des Lenkgehäuses 1 verschiebbar angeordnet und durch zwei Federn 30 und 31 in seiner Mittenstellung zentriert ist.

Die Mitnahme des Kolbens 27 erfolgt über eine zapfenartige Verlängerung 32 des Ritzels 2, die ein balliges oder kugeliges Ende aufweist und in eine Ausnehmung 33 des Kolbens 27 eingreift. In dem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 33 als Bohrung in dem Kolben 27 ausgeführt.

Das Kolbenventil 26 weist an seinem Kolben 27 Steuernuten 34 mit Steuerkanten auf, die in bekannter Weise mit Steuernuten 35 der Bohrung 28 zusammenwirken und in bekannter Weise an die Zylinderanschlüsse 17 und 18, den Zulaufanschluß 21 und die Rücklaufanschlüsse 23 und 24 angeschlossen sind. Die Steuernuten 34 und 35 liegen alle auf einer Seite der Ausnehmung 33. Dadurch kann das Kolbenventil 26 sehr raumsparend ausgebildet sein.

Durch zwei Dichtungen 36 und 37 wird der Kolben 27 in der Bohrung 28 derart abgedichtet, daß das über das Kolbenventil 26 zu und von dem Servomotor 11 gesteuerte Druckmittel auf den Bereich der Steuernuten 34 und 35 beschränkt bleibt. Dies hat den Vorteil, daß der Leichtmetallguß der Lenkung nur im Bereich des Kolbens 27 und des Servomotors 11 druckdicht sein muß.

An den Zulaufanschluß 21 ist eine Servopumpe 38 angeschlossen, die gemäß Fig. 4 von einem Elektromotor 40 angetrieben wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, wird die Servopumpe 38 von einem Fahrzeugmotor 41 über eine schaltbare Kupplung 42 angetrieben.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist an dem Kolbenventil 26 eine Einrichtung 43 zur Detektion der Bewegungen des Ritzels 2, insbesondere der Schwenkbewegungen, und damit zur Detektion des Lenkmomentes angeordnet. Mit der Einrichtung 43 erfolgt die Messung des Drehmoments über den Weg des Kolbens 27. Es handelt sich dabei um eine induktive Meßeinrichtung mit Meßspulen 44 und einem Kern 45, der fest mit dem Kolben 27 verbunden ist.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Einrichtung zur Detektion der Bewegungen des Ritzels 2 und des Lenkmoments als Schalter 46 ausgebildet. Zur Betätigung des Schalters 46 dient ein Hebel 47, der mit einer Kröpfung in eine Nut 48 des Kolbens 27 eingreift. Wird der Kolben 27 verschoben, so läuft der Hebel 47 auf der Nutschräge hoch und betätigt damit den Schalter 46.

Im folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Zahnstangen-Hilfskraftlenkung beschrieben:

Wird durch eine Drehung des nicht dargestellten Lenkhandrades das Ritzel 2 beispielsweise im Sinne einer Rechtslenkung gedreht, so wälzt sich die Verzahnung des Ritzels 2 zunächst in der Verzahnung der momentan noch feststehenden Zahnstange 6 ab. Dadurch wird das Ritzel 2 um das Festlager 3 um einen geringen Winkel geschwenkt. Das Loslager 4 wird nach links verschoben. Diese Bewegung wird über die Verlängerung 32 des Ritzels 2 und die Ausnehmung 33 auf den Kolben 27 übertragen. Je nach der Größe des am Ritzel 2 eingeleiteten Moments verschiebt sich der Kolben 27 gegen die Kraft der Feder 30 nach links. Damit wird an den Steuernuten 34 und 35 ein Druck angeregelt, der sich in den Zylinderraum 13 fortpflanzt und die Zahnstange 6 entsprechend der Bewegung an dem Lenkhandrad nach rechts verschiebt.

Da die Steuernuten 34 und 35 symmetrisch zueinander aufgebaut sind, ergibt sich bei entgegengesetzter Drehrichtung des Lenkhandrades ein entsprechender Funktionsablauf.

Über die Einrichtung 43 zur Detektion der Bewegungen des Ritzels 2 und des Lenkmoments wird die Servopumpe 38, je nach der Größe des Lenkmoments, gesteuert. Dabei kann die Servopumpe 38 beispielsweise bei Überschreiten eines bestimmten Lenkmoments eingeschaltet und bei Unterschreiten eines bestimmten Lenkmoments ausgeschaltet werden. Dies kann, je nach Ausführungsform, beispielsweise durch Ein- oder Ausschalten des Elektromotors 4 oder durch Öffnen oder Schließen der Kupplung 42 geschehen.

Wird die Einrichtung 43 zur Detektion als Meßspule 44 ausgebildet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, so ergeben sich analoge Signale zur Steuerung des Elektromotors 40. Der Elektromotor 40 kann dann, abhängig vom Lenkmoment, mit unterschiedlicher Spannung betrieben werden. Durch die damit verbundene veränderliche Fördermenge der Servopumpe 38 können unterschiedliche Lenkkräfte erzeugt werden. Wird über eine nicht dargestellte Elektronikeinheit zusätzlich beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit erfaßt, so kann gleichzeitig die Hilfskraftunterstützung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit variiert werden. Eine andere Möglichkeit, die Drehzahl des Elektromotors 40 und damit die Förderleistung der Servopumpe 38 zu verändern, besteht darin, daß der elektrische Strom des Elektromotors 40 geregelt wird.

Bezugszeichen

1 Lenkgehäuse
2 Ritzel
3 Lager (Festlager)
4 Lager (Loslager)
5 Lenkspindelanschluß
6 Zahnstange
7 Druckstück
8 Außenring
9 -
10 Druckplättchen
11 Servomotor
12 Kolbenstange
13 Zylinderraum
14 Zylinderraum
15 Arbeitsleitung
16 Arbeitsleitung
17 Zylinderanschluß
18 Zylinderanschluß
19 -
20 Steuereinrichtung
21 Zulaufanschluß
22 -
23 Rücklaufanschluß
24 Rücklaufanschluß
25 Behälter
26 Kolbenventil
27 Kolben
28 Bohrung
29 -
30 Feder
31 Feder
32 Verlängerung
33 Ausnehmung
34 Steuernut
35 Steuernut
36 Dichtung
37 Dichtung
38 Servopumpe
39 -
40 Elektromotor
41 Fahrzeugmotor
42 Kupplung
43 Einrichtung zur Detektion
44 Meßspule
45 Kern
46 Schalter
47 Hebel
48 Nut

Claims

1. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit folgenden Merkmalen:

- in einem Lenkgehäuse (1) ist ein Ritzel (2) drehbar gelagert,
- eine in dem Lenkgehäuse (1) axial verschiebbar geführte Zahnstange (6) wird durch ein federbelastetes Druckstück (7) in Eingriff mit dem Ritzel (2) gehalten,
- zur Hilfskraftunterstützung ist ein Servomotor (11) trieblich mit der Zahnstange (6) verbunden,
- eine Steuereinrichtung (20) zur Steuerung eines von einer Servopumpe (38) geförderten Druckmittels zu und von dem Servomotor (11) ist in Abhängigkeit von einer Bewegung des Ritzels (2) verstellbar,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- das Ritzel (2) ist schwenkbar gelagert in einem Festlager (3) und in einem Loslager (4),
- im Bereich des Loslagers (4) ist die Steuereinrichtung (20) in der Form eines Kolbenventils (26) ausgebildet, dessen Achse im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Ritzels (2) steht,
- das Kolbenventil (26) ist durch die Schwenkbewegung des Ritzels (2) betätigbar,
- die Steuereinrichtung (20) enthält eine Einrichtung (43) zur Detektion der Bewegungen des Ritzels (2) und damit zur Detektion des Lenkmoments und
- die Drehzahl (Fördermenge und/oder der Förderdruck) der Servopumpe (38) ist in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter, wenigstens dem Lenkmoment, einstellbar.

2. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loslager (4) senkrecht zu seiner Achse nur in Richtung der Achse des Kolbenventils (26) verschiebbar ist und auf seiner dem Druckstück (7) gegenüberliegenden Seite in dem Lenkgehäuse (1) verschiebbar geführt ist.

3. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servopumpe (38) von einem Elektromotor (40) angetrieben wird.

4. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servopumpe (38) von einem Fahrzeugmotor (41) über eine schaltbare Kupplung (42) angetrieben wird.

5. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (43) zur Detektion analog arbeitet.

6. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (43) zur Detektion durch einen Schalter (46) gebildet ist.

7. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Servopumpe (38) bei Überschreiten eines bestimmten Lenkmoments eingeschaltet und bei Unterschreiten eines bestimmten Lenkmoments ausgeschaltet wird.

8. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Servopumpe (38) durch Veränderung der Spannung und/oder des elektrischen Stromes veränderbar ist.

9. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern (45) einer induktiv arbeitenden Meßspule (44) mit dem Kolben (27) des Kolbenventils (26) in Verbindung steht.

10. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (46) durch eine Nut (48) oder einen Bund des Kolbens (27) des Kolbenventils (26) betätigbar ist.