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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftfahrzeug-Lenksysteme
und insbesondere ein Lenksystem mit einem elektrischen Stellantrieb
mit einer Welle, die sich linear hin- und herbewegt und damit ein
Fahrzeugrad verschwenkt.
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Der
Stand der Technik zeigt, daß es
bekannt ist, einen elektrisch betriebenen Stellantrieb in ein Kraftfahrzeug-Lenksystem
einzubauen, um die Schwenkung der gelenkten Räder auf gegenüberliegenden
Seiten eines Fahrzeuges zu unterstützen, z.B. die rechten und
linken Vorderräder
eines Vierradfahrzeuges. Die gelenkten Räder werden durch ein Lenkrad
verschwenkt, das über
eine Lenksäulenwelle
mit einem Ritzel eines mechanischen Lenkgetriebes gekoppelt ist,
welches wiederum eine mit den gelenkten Rädern gekoppelten Lenkzahnstange
in eine Linearbewegung versetzt. Beim Drehen der Lenkräder wird
eine Welle eines elektrisch angetriebenen Stellantriebes linear
verschoben, so daß die Bewegung
der Zahnstange durch Abgabe eines erheblichen Anteiles der zum Verschwenken
der Räder erforderlichen
Kraft unterstützt
wird. Diese Art von System wird unterschiedlich benannt, z.B. als
elektrisch unterstützte
Lenkung oder als elektrische Servolenkung.
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Der
Stand der Technik offenbart außerdem eine
weitere Art von Lenksystem, und zwar eines, wo ein Lenkrad nicht
mechanisch mit den Lenkrädern gekuppelt
ist, sondern nur über
Drähte
elektrisch mit einem elektrischen Stellantrieb zum Verschwenken eines
einzelnen Rades oder zweier Räder
verbunden ist, z.B. mit einem rechten und linken Rad. Bei einem solchen
Lenksystem fehlt aber eine Lenksäulenwelle,
die über
ein eine Zahnstange betätigendes
mechanisches Lenkgetriebe mit den Rädern gekuppelt ist. Diese Art
von Lenksystem wird bisweilen als rein-elektrisches Lenksystem bezeichnet.
Bei einem vierrädrigen
Fahrzeug können
nur die Vorderräder oder
auch alle vier Räder
lenkbar sein.
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Ein
gelenktes Rad in einem Fahrzeug stellt bestimmte Anforderungen in
bezug auf die Linearkraft, die eine Welle eines elektrischen Stellantriebes ausüben muß, um das
Rad zu verschwenken. Der Mechanismus einer Art von elektrischem
Stellantrieb, der für
den Einsatz in einem Lenksystem einer der oben beschriebenen Bauarten
geeignet ist, wandelt elektrische Energie in Drehbewegung um, und
die Drehbewegung wird in eine Linearbewegung übertragen, mit der die Stellantriebswelle
translatorisch bewegt wird. Die von dem bzw. den durch den Stellantrieb
verschwenkten Rad/Rädern
auf die Stellantriebswelle aufgebrachte Kraft ist daher als Drehmomentlast
wiedergegeben, die auf einen drehenden Teil des Stellantriebes wirkt.
Ein derartiges System ist z.B. in der am 8. April 1992 eingetragenen
EP 0 512 591 A1 der
General Motors Corporation beschrieben, die die Merkmale des Oberbegriffes
von Patentanspruch 1 zeigt.
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Die
am 22. September 1993 eingetragene US-Schrift
5491372 der Exlar Corporation beschreibt einen
elektrisch angetriebenen linearen Stellantrieb mit einer Stellmotoreinheit
(mit einer Stellmotorstange und einem in ein Gewinde greifenden
Teil), eine Motoreinheit (mit einem Stator) und eine Gehäuseeinheit.
Ein aus magnetischem Stoff gebildeter länglicher Zylinder ist in bezug
auf die Gehäuseeinheit drehbar
gelagert. Magnete oder andere Elemente sind um einen Außenumfang
des Zylinders herum angeordnet, so daß sie innerhalb des Motoreinheit
einen Anker bilden. Der längliche
Ankerzylinder weist außerdem
eine Bohrung mit einem Innengewinde auf. Der in das Gewinde greifende
Teil der Stellantriebseinheit wird beim Drehen des Zylinders entlang der
mit einem Gewinde versehenen Länge
dieses Zylinders bewegt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fahrzeuglenksysteme mit elektrischen
Stellantrieben einer Bauart, von der angenommen wird, daß sie dem
System bessere Drehmomentübertragungseigenschaften
und/oder ein besseres Drehmoment-Kraft-Wandlungsverhältnis verleiht, insbesondere
im Hinblick auf die bidirektionalen Bewegungseigenschaften. Solche
Verbesserungen können
die Einsatzmöglichkeiten
solcher Systeme auf einen weiteren Bereich von Fahrzeugen ausdehnen,
insbesondere auf einen breiteren Bereich von Fahrzeuggrößen. Ein
weiter verbreiteter Einsatz eines solchen verbesserten Systems kann
dann zu günstigeren Kostenbedingungen
für den
Hersteller führen,
der die Kraftfahrzeuglenksysteme in Massenfertigung herstellen kann.
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Dadurch,
daß jedes
gelenkte Rad mit seinem eigenen, nur für dieses Rad zuständigen Stellantrieb versehen
wird, lassen sich bestimmte Vorteile bei der Konstruktion eines
Fahrzeuges erzielen, weil größere Freiheit
bei der Wahl eines Ortes für
die Anbringung jedes Stellantriebes gegeben ist. So kann z.B. jeder
gegebene Stellantrieb an einer Stelle im Fahrzeug angeordnet werden,
die entweder dieselbe wie, oder aber unterschiedlich von der Ausrichtung
der anderen Stellmotoren ist. Beispiele verschiedener allgemeiner
in Draufsicht gesehener Ausrichtungen sind eine Längsausrichtung
(vor und zurück),
eine Seitenausrichtung (im rechten Winkel zur Längsausrichtung) und eine Querrichtung
(weder längs
noch seitlich).
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Kraftfahrzeuglenksystem, das folgendes
aufweist:
ein Lenkrad; und
einen Stellantrieb zum Verschwenken
des gelenkten Rades um eine Schwenkachse, so daß das Rad gelenkt wird;
wobei
der Stellantrieb ein Gehäuse
aufweist, welches einen Innenraum enthält, der von einer sich axial
erstreckenden Seitenwand mit einander gegenüberliegenden axialen Enden
umschlossen wird; dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem folgendes beinhaltet:
eine
Welle mit einer koaxial zur Gehäusewand
verlaufenden Längsachse,
einem inneren axialen Ende, das im Innenraum des Gehäuses angeordnet
ist, und einem axialen Ende, das dem Innenraum des Gehäuses gegenüber außen liegt;
einen
Elektromotor mit einem Rotor, welcher innerhalb des Innenraumes
des Gehäuses
angeordnet ist, so daß er
sich um eine Achse dreht, die koaxial zur Wellenachse verläuft, wobei
der Rotor eine zylindrische Rotorhülse aufweist, welche ein offenes
axiales Ende hat, durch welches sich die Welle koaxial erstreckt,
und welche um die gemeinsame Achse von Welle und Rotor drehbar ist,
wobei der Motor außerdem
einen Stator aufweist, mit dem der Rotor so betrieben werden kann,
daß die
Rotorhülse
gedreht wird;
ein Innengewinde in der Rotorhülse;
ein
Außengewinde
an der Welle;
einen Satz Übertragungsrollen,
welche das Innengewinde und das Außengewinde im Betrieb so miteinander
kuppeln, daß eine
bidirektionale Bewegungsübertragung
zwischen der Rotorhülse
und der Welle hergestellt wird, so daß die Drehung der Rotorhülse eine
axiale Bewegung der Welle in bezug auf das Gehäuse bewirkt, und daß eine axiale
Bewegung der Welle eine Drehung der Rotorhülse bewirkt;
eine Kupplung,
welche das äußere axiale
Ende der Welle mit dem Rad kuppelt;
worin die Übertragungsrollen
identische Gewinde aufweisen, welche mit dem Innengewinde und dem Außengewinde
in Eingriff stehen, und das Innengewinde, das Außengewinde und das Gewinde
der Übertragungsrollen
alle die gleiche Anzahl von Gewindegängen je axialer Längeneinheit
aufweisen.
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
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1 eine stellvertretende,
etwas schematische Draufsicht auf ein Fahrzeugrad und den zugehörigen Radlenkungsstellantrieb,
welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpern;
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2 einen Querschnitt in leicht
vergrößertem Maßstab in
Richtung der Pfeile 2-2 aus 1;
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3 eine vergrößerte Ansicht
eines Teiles der 3;
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5 eine vergrößerte quergeschnittene Schnittansicht
in Richtung der Pfeile 5-5 aus 3;
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6 eine Draufsicht von oben
auf eine mögliche
Ausrichtung für
einen Lenkstellantrieb;
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7 eine Draufsicht von oben
auf eine weitere mögliche
Ausrichtung für
einen Lenkstellantrieb;
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8 eine Draufsicht von oben
auf noch eine weitere mögliche
Ausrichtung für
einen Lenkstellantrieb; und
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9 eine Draufsicht von oben
auf ein Allrad-Lenksystem in einem vierrädrigen Fahrzeug.
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1 zeigt ein lenkbares Rad 10 eines
Kraftfahrzeuges sowie den zugehörigen
Stellantrieb 12. Ein Steuersystem für die Verschwenkung des Rades 10 hat
keine direkte mechanische Verbindung zwischen Rad 10 und
einem Lenkrad SW, das vom Fahrer zum Lenken des Fahrzeuges gedreht
wird. Die Bewegung des Lenkrades wird über Kabel von einem mit dem
Lenkrad gekoppelten elektrischen Geber T an eine elektrische Steuereinrichtung 13 in
einem Modul 11 des Stellantriebes 12 gesendet.
In Reaktion auf Signale vom Geber betätigt die Steuereinrichtung den
Stellantrieb so, daß das
Rad 10 verschwenkt wird.
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Details
des Stellantriebes 12 sind in den 2-5 dargestellt.
Der Stellantrieb 12 weist ein zylindrisches Gehäuse 14 und
eine Welle 28 auf, die koaxial von einem Ende des Gehäuses entlang
einer gedachten Hauptachse 30 absteht. Eine Kupplung 32 wie
z.B. ein Kugelgelenk (siehe 1)
verbindet das freie Ende der Welle 28 mit dem Rad 10.
Das Rad 10 ist über
(nicht dargestellte) Radlager drehbar auf einem Radzapfen gelagert.
Eine Radaufhängung und
eine Bremse (ebenfalls nicht dargestellt) sind ebenso dem Rad zugeordnet.
Der Zapfen ist um eine Schwenkachse 34 schwenkbar gelagert,
die allgemein senkrecht sein kann, die jedoch um einen bestimmten
Sturzwinkel der Lotrechten gegenüber
angewinkelt sein kann, und zwar aus Gründen, die mit verschiedenen
Lenk- und Radaufhängungsüberlegungen
zusammenhängen,
die aber nicht direkt die vorliegende Erfindung betreffen. Der Radzapfen weist
einen Achsschenkel 36 auf, an dem ein Kupplungsstück 32 angreift.
Die der Welle 28 erteilte Linearbewegung entlang der Achse 30 wirkt
derart, daß sie
den Zapfen und damit das Rad 10 um die Schwenkachse 34 verschwenkt.
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Wenn 1 ein rechtes Vorderrad
eines vierrädrigen
Fahrzeuges darstellt, und wenn ein Stellantrieb 12 hinter
dem Achsschenkel 36 angeordnet ist, dann wird beim Ausfahren
der Welle 28 von der in 1 dargestellten
Position aus der Achsschenkel 36 nach außen gedrückt, so
daß das
Rad 10 nach rechts verschwenkt wird. Beim Einfahren bzw.
Zurückziehen
wird der Achsschenkel nach innen gezogen, so daß das Rad 10 nach
links gedreht wird.
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Das
Gehäuse 14 beinhaltet
eine sich axial erstreckende zylindrische Seitenwand 42,
die einen Innenraum umschließt.
An jeweils axial gegenüberliegenden
Enden ist das Gehäuse 42 durch
entsprechende End- oder Kopfwände 44, 46 abgeschlossen, wobei
jedoch die Welle 28 an der Endwand 44 durch eine Öffnung stößt, die
eine Dichtung 48 enthält,
welche Bewegungen der Welle erlaubt und dennoch den Innenraum des
Gehäuses
von der Außenumgebung abdichtet,
so daß das
Eindringen von externen Verschmutzungen in den Gehäuseinnenraum
verhindert wird.
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Ein
Elektromotor 52 ist im Gehäuse 14 gelagert und
beinhaltet einen im Gehäuseinnenraum
angeordneten Rotor 54, der sich um eine Achse dreht, die
koaxial zur Achse 30 verläuft. Rotor 54 beinhaltet eine
zylindrische Rotorhülse 56,
die an wenigstens dem axialen Ende offen ist, durch das die Welle 28 koaxial
hindurchsticht. Lagereinheiten 58, 60 lagern jeweils
gegenüberliegende
Endabschnitte der Rotorhülse 56 drehbar
im Innern des Gehäuses 14,
so daß sich
die Rotorhülse
um die gemeinsame Achse der Welle 28 und des Rotors 54 drehen
kann. Ein Zwischenteil der Rotorhülse 56 enthält einen
Motoranker mit Permanentmagneten 62. Des weiteren weist
der Motor 52 einen Stator 64 auf, so daß der Rotor 54 so betrieben
werden kann, daß er
die Rotorhülse 56 in Drehung
versetzt. Der Stator 64 kann eine elektrische Wicklung 66 aufweisen,
die über
die Steuereinrichtung 13 bestromt wird, so daß ein Magnetfeld
erzeugt wird, das mit den Magneten 62 so zusammenwirkt,
daß an
der Rotorhülse 56 Drehmoment
angelegt wird. Eine geeignete Verkabelung überträgt die Gebersignale an die
Steuerung 13 und liefert den elektrischen Strom für den Betrieb
des Motors 52.
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Zwar
ist die Rotorhülse 56 drehbar
gelagert, sie ist jedoch gegen axiale Bewegungen entlang der Achse 30 fixiert.
Ein Innengewinde 68, das schraubenlinienförmig um
die Achse 30 verläuft,
ist an der Innenseite der Rotorhülse 56 angebracht.
Das Gewinde kann in die Wand der Rotorhülse geschnitten sein oder in
einem separaten Teil eingearbeitet sein, das mit der Rotorhülse verbunden
wird. Ein Außengewinde 70,
das ebenfalls schraubenlinienförmig
um die Achse 30 herum verläuft, ist auf der Welle 28 angebracht.
Das Gewinde 70 ist in einem separaten Teil 72 eingearbeitet,
das auf die Welle 28 montiert wird. Jedes Gewinde 68, 70 hat
dieselbe Anzahl von Gewindegängen
pro Zoll (bzw. Gewindegänge
pro Zentimeter bei metrischen Einheiten); da sie aber unterschiedliche
Flankendurchmesser haben, sind die beiden Gewinde nicht exakt identisch.
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Der
Hauptdurchmesser des Gewindes
70, der quer zu einem von
den Spitzen der Gewindeflanken definierten gedachten Zylinder gemessen
wird, ist kleiner als der in ähnlicher
Weise gemessene Hauptdurchmesser des Gewindes
68, so daß ein kreisförmiger Ringraum
gebildet wird, in dem ein Satz
74 von Übertragungsrollen
76 untergebracht
ist. Die Übertragungsrollen
76 stellen
eine Funktionsverbindung her zwischen dem Gewinde
68 und
dem Gewinde
70, so daß eine
bidirektionale Bewegungsübertragung
zwischen der Rotorhülse
56 und
der Welle
28 gesichert wird, so daß eine Drehung der Rotorhülse
56 eine
axiale translatorische Bewegung der Welle
28 gegenüber dem
Gehäuse
bewirkt, und daß eine axiale
Translationsbewegung der Welle gegenüber dem Gehäuse eine Drehung der Rotorhülse bewirkt. Zwar
sind in der Zeichnung mehrere Übertragungsrollen
nur zur Veranschaulichung nicht unbedingt in ihrer echten Lage dargestellt,
es versteht sich aber von selbst, daß die spezifische Anzahl von
in einem beliebigen gegebenen Stellantrieb eingesetzten Übertragungsrollen
von den jeweiligen besonderen Konstruktionsvorgaben abhängen kann.
In einem Ausführungsbeispiel
sind sieben Übertragungsrollen
76 in
gleichen Abständen
von einander zentrisch um die Achse
30 herum angeordnet.
Die Übertragungsrollen
können
wie diejenigen ausgebildet sein, die in bestimmten Ausführungsformen
der US-Patentschriften Nr.
5,491,372 und
5,557,154 offenbart sind.
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Jede Übertragungsrolle 76 weist
ein schraubenlinienförmiges
Gewinde 78 auf, das in einer Art und Weise wirkt, in der
es Bewegung bidirektional zwischen der Welle 28 und der
Rotorhülse 56 übertragen
kann, wie oben beschrieben wurde. Das Gewinde 78 hat dieselbe
Zahl von Gewindegängen
pro Zoll bzw. pro Zentimeter wie die Gewinde 68, 70.
Da aber der Hauptdurchmesser des Gewindes 78 sehr viel
kleiner ist als derjenige der Gewinde 68 oder 70, ist
sein Steigungswinkel deutlich größer als
der Steigungswinkel der Gewinde 68 oder 70. Zu
jedem beliebigen Zeitpunkt steht eine begrenzte Strecke einer jeden
von einer Anzahl von Windungen des Schraubengewindes jeder gegebenen Übertragungsrolle 76 in
Umfangsrichtung um die jeweilige Übertragungsrollenachse gemessen
mit einer in Umfangsrichtung um die Achse 30 gemessenen
begrenzten Strecke einer zugehörigen
Windung des Schraubengewindes 68 in Eingriff, während ein
im wesentlichen diametral gegenüberliegender
begrenzter Abschnitt einer jeden solchen Gewindewindung der Übertragungsrolle mit
einem begrenzten Umfangsabschnitt einer entsprechenden Windung des
Schraubengewindes 70 in Eingriff steht. Wenn vom Motor 52 genügend Drehmoment
erzeugt wird, die Rotorhülse 56 zu
drehen, dann wirkt das Schraubengewinde 68 derselben über die Übertragungsrollen 76 so,
daß es
die Welle 28 translatorisch verschiebt. Wird eine ausreichend hohe
Kraft entlang der Achse 30 an der Welle 28 aufgebracht,
z.B. wenn sich das Rad 10 nach einer Rechts- oder Linkskurve
wieder gerade stellt, dann wirkt das Schraubengewinde 70 über die Übertragungsrollen 76 so,
daß es
die Rotorhülse 56 dreht. Es
wird davon ausgegangen, daß die
Differenz zwischen dem Steigungswinkel des Gewindes der Übertragungsrollen 76 und
demjenigen des Schraubengewindes 68 einerseits, und die
Differenz zwischen dem Steigungswinkel des Gewindes auf den Übertragungsrollen 76 und
demjenigen des Schraubengewindes 70 andererseits, zusammen
Schnittstellen bilden, die dem Stellantrieb seine bidirektionale
Bewegungsübertragungsfähigkeiten
verleihen.
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Die Übertragungsrollen 76 werden
im Satz 74 dadurch gehalten, daß ihre Enden in Bohrungen in Trägerringen 80, 82 drehbar
gelagert werden, die auf den einander gegenüberliegenden Enden der Übertragungsrollen über die
Welle 28 geschoben und an dieser befestigt sind. Gegenüberliegende
Endwindungen des Gewindes 78 der Übertragungsrollen sind so bearbeitet,
daß sie
kurze axiale Nuten 83 bilden, die parallel zueinander und
in gleichem Abstand von einander um die Achse der Übertragungsrolle herum
angeordnet sind, so daß sie
etwas bilden, das Zahnrädern
bzw. Ritzeln 84 an jeweils gegenüberliegenden Enden jeder Übertragungsrolle
entspricht. Das Ritzel 84, das am nächsten am Trägerring 80 liegt,
kämmt mit
einem Ritzel 86, das um den Umfang der Welle 28 herum
in der Nähe
eines Endes des Schraubengewindes 70 angeordnet ist, und
das Ritzel 84, das am nächsten
am Trägerring 82 liegt, kämmt mit
einem Ritzel 86, welches um den Umfang der Welle 28 herum
in der Nähe
des gegenüberliegenden
Endes des Gewindes 70 angeordnet ist. Es wird angenommen,
daß die
Zusammenwirkung der Ritzel 84 der Übertragungsrollen und der Ritzel 86 jeder Übertragungsrolle
eine vorteilhafte Drehung erteilt, wenn der Stellantrieb arbeitet,
so daß die Übertragungsrollen
wie Planetenräder
bewegt werden. Es wird davon ausgegangen, daß eine derartige Drehung einen
Wälzkontakt
zwischen jeder Flanke des Schraubengewindes der Übertragungsrollen und einer
entsprechenden Flanke jedes Schraubengewindes 68 bzw. 70 erzeugt,
mit dem es zusammenwirkt. Es ist anzunehmen, daß diese Wälzwirkung hilfreich dabei ist,
Rutschen der Gewindeflanken der Übertragungsrollen
auf den Flanken der Gewinde 68 und 70 auszuschalten
oder zumindest zu minimieren.
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Aus
Darstellungsgründen
ist in der 4 eine gewisse
Verzerrung in der Darstellung der Gewindegänge zu sehen. Dieser Darstellung
gemäß besteht
jedes Übertragungsrollengewinde
aus einer einzelnen durchgängigen
Schraubenlinie, es kann aber auch jedes Schraubengewinde 68, 70 anders erscheinen
als mit einer einzelnen durchgängigen Schraubenlinie.
Es ist dabei festzuhalten, daß jedes Gewinde 68, 70 der
offenbarten bevorzugten Ausführungsform
tatsächlich
eine einzelne durchgehende Schraubenlinie ist, und daß des weiteren
die Schraubenlinie jedes Gewindes 68, 70 in derselben
Richtung ansteigt. Die Schraubenlinien der Gewinde 68 und 70 sind
in ihren Phasen derart eingestellt, daß eine gedachte Linie, die
radial zur Achse 30 verläuft und den Fuß von Gewinde 68 schneidet,
dann die Spitze des Gewindes 70 schneidet. Für jedes
beliebige der Gewinde 68, 70 und 78 zeigt
ein zu der entsprechenden Schraubenlinie senkrechter Teil-Querschnitt
durch eine Windung des Gewindes, daß die Gewindeflanken im wesentlichen
symmetrisch um den Gewindefuß verlaufen.
Die Spitzen und Gewindefüße können auch
leicht abgerundet sein.
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6 zeigt eine Querausrichtung
für den Stellantrieb 12 bei
einem rechten Vorderrad 10. Der Achsschenkel 36 liegt
vor der Radzapfenachse 89, um die sich das Rad 10 dreht.
Wenn die Welle 28 aus dem Gehäuse 14 heraustritt,
wirkt sie über
eine Spurstange 97 und drückt den Achsschenkel 36 so,
daß das
Rad 10 nach rechts um die Schwenkachse 34 verschwenkt
wird, und wenn sie zurückgezogen
wird, zieht sie den Achsschenkel zurück, so daß das Rad nach links verschwenkt
wird. Die Figur zeigt auch einen Radaufhängungslenker 96 eines
Radaufhängungssystems,
in dem der Radzapfen im Fahrgestell des Fahrzeuges aufgehängt ist.
Das der Welle 28 gegenüberliegende
Ende des Gehäuses 14 ist
durch beliebige geeignete Mittel am Fahrgestell befestigt, die dem
Stellantrieb erlauben, den Rad- und Radzapfenbewegungen zu folgen,
ohne die Richtung zu ändern,
in der das Rad von dem Stellantrieb gelenkt wird.
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7 veranschaulicht eine seitliche
Ausrichtung für
einen Stellantrieb 12, und 8 eine Längsausrichtung. 9 veranschaulicht eine Vierrad-Lenkanordnung,
in welcher jedes Rad seinen eigenen, nur ihm zugeordneten Stellantrieb
hat, und wo alle Stellantriebe seitlich ausgerichtet sind. Es versteht
sich von selbst, daß in
einem beliebigen gegebenen Fahrzeug jeder beliebige besondere Stellantrieb
die gleiche Ausrichtung wie die anderen Stellantriebe haben kann,
oder eine andere Ausrichtung.