DE69205419T2 - Anti-roll-mechanismus fuer zahnstangeneinrichtung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Anti-Roll- bzw. Rollschutzmechanismen für Ritzel und Zahnstangen und ist im Zusammenhang mit einer Ritzel-Zahnstangeneinheit für einen Fahrzeug-Lenkmechanismus entwickelt worden und wird hauptsächlich im Zusainrnenhang damit erläutert werden. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung auch auf Ritzel- Zahnstangeneinheiten für andere Anwendung als bei Fahrzeug- Lenkmechanismen anwendbar ist.
• Eine Ritzel-Zahnstangeneinheit ist ein für das Lenken von Kraftfahrzeugen verbreitet angewandeter Mechanismus; dabei ist bekannt, daß zur Erzielung eines zwangsläufigen bzw. spielfreien Lenkens ein Eingriff spiel (toter Gang) zwischen den Zähnen von Zahnstange und Ritzel auf einer Mindestgröße gehalten werden muß. Idealerweise ist ein Null- Totgang erforderlich; Fertigungstoleranzen, wie eng sie auch sein mögen, machen dies jedoch praktisch unmöglich, wenn keine zusätzlichen Bauteile und/oder Bearbeitungsvorgänge, die zu unannehmbar höheren Fertigungskosten führen, verwendet bzw. angewandt werden sollen.
• Üblicherweise wird ein Ritzel mit Schrägverzahnung verwendet; hierbei entsteht eine Kraft, die der Zahnstange eine Kippbewegung erteilt. Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zelgt eine bekannte Ritzel-Zahnstangeneinheit für einen Lenkmechanismus, wobei die Zahnstange 1 für axiale Verschiebebzw. Gleitbewegung in einem Träger oder Lager 2 gelagert ist; die Zahnstange ist dabei aus zylindrischem Ausgangsmaterial geformt, und das Lager ist mit einer entsprechenden teilzylindrischen Lagerfläche 3 versehen. Die Zähne 4 des schrägverzahnten Ritzels 5 käinmen mit den Zähnen 6 der Zahnstange 1; bei der Drehung erzeugt das Ritzel eine axiale Kraft FAX längs seiner Drehachse, welche Kraft am Teilkreis P der Zahnstange 1 wirkt, wobei der Abstand zwischen dem Teilkreis und der Längsachse der Zahnstange 1 einen Hebel M darstellt. Die (das) auf die Zahnstange 1 wirkende Rotationskraft oder Drehmoment T bestirnmt sich daher zu:
• T = FAX x M
• Diesem Drehmoment wird örtlich an den Enden der Zahnstangenzähne 6 ein Widerstand entgegengesetzt, was Anlaß zu Verschleiß und/oder Beschädigung gibt. Dies ist eindeutig unerwünscht, speziell dann, wenn - wie bei einem Fahrzeug- Lenkmechanismus - eine langzeitige Verwendung bzw. Einsatzfähigkeit wesentlich ist.
• Es wurde bereits versucht, die Kippbewegung der Zahnstange 1 auf grund des Drehmoments T zu minimieren; eine derartige Anordnung besteht im Vorsehen von Schrägflächen an der Zahnstange, so daß sich ein im wesentlichen V-förmiger Querschnitt gemäß Fig. 2 (der beigefügten Zeichnungen) ergibt. Das Lager 3 (bzw. 2) für die Zahnstange 1 ist mit einer entsprechenden V-förmigen Paßfläche darin versehen. Im Hinblick auf die erforderliche Genauigkeit müssen die Schrägflächen spanabhebend bearbeitet werden; ersichtlicherweise ist eine solche spanabhebende Bearbeitung an den Zahnstangenzähnen 6 ohne Toleranzen oder (Fertigungs-)Fehler und auch die entsprechende Ausbildung der Paßfläche 3 am Lager 2 nicht einfach. Beim Einbau des Rollschutzmechanismus in das Gehäuse des Lenkmechanismus können außerdem zusätzliche Fehler eingeführt werden. Demzufolge ist nicht nur dieser Rollschutzmechanismus vergleichsweise aufwendig in der Herstellung, vielmehr tragen auch die kumulativen Fehler oder Toleranzen zu einer Minderung der Betriebsleistung der Zahnstangen- Ritzeleinheit, insbesondere bezüglich der Bewegungsfreiheit der Zahnstange bei, was unannehmbar ist.
• Hauptaufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Anti-Roll- bzw. Rollschutzmechanismus für eine Zahnstangen- Ritzeleinheit, der vergleichsweise kostengünstig herzustellen, dabei aber wirksam ist, ohne die Betriebsleistung der Zahnstangen-Ritzeleinheit zu beeinträchtigen.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Zahnstangen-Ritzelanordnung, umfassend eine verzannte Zahnstange, bei der die Oberseiten bzw. Spitzen ihrer Zähne in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die Zahnstangen-Ritzelanordnung ferner einen Anti-Roll- bzw. Rollschutzmechanismus mit einem Zahnstangenzähne-Anlagemittel, das zur Ermöglichung einer Relativbewegung zwischen der Zahnstange und dem Zähne-Anlagemittel und so montiert oder gelagert ist, daß es in einem (jedem) gegebenen Augenblick an den Spitzen von mindestens zwei Zähnen der Zahnstange anliegt, umfaßt.
• Da es übliche Praxis ist, an den Zahnstangenzähnen flache Oberseiten bzw. (Zahn-)Spitzen vorzusehen und dabei sicherzustellen, daß diese Spitzen (tops) in einer (gemeinsamen) Ebene liegen, wird gemäß dieser Erfindung diese vorhandene "Öberfläche" für die Bereitstellung der Einrichtung zur Verhinderung einer Roll- oder Kippbewegung der Zahnstange genutzt, so daß auf die oben erwähnte, vergleichsweise kostenaufwendige Zerspanungsbearbeitungs- oder Fertigungsausrüstung verzichtet werden kann.
• Das Zähne-Anlagemittel des Rollschutzmechanismus kann ein gehärtetes Polster (pad) umfassend, das vorzugsweise in einem Träger gehaltert oder gelagert ist, der mit Mitteln zum Einstellen des Polsters relativ zu den Zahnstangenzähnen zwecks Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen versehen ist. Das Polster kann teilzylindrisch sein, wobei der Träger eine komplementäre teilzylindrische Lagerfläche aufweist, um eine Relativverschiebung zwischen Polster und Träger für Ausrichtzwecke zuzulassen.
• Anstelle eines Polsters kann das Zähne-Anlagemittel eine oder mehrere gehärtete Rollen umfassen, von denen jede Rolle so angeordnet ist, daß sie in einem (jedem) gegebenen Augenblick mit den Spitzen von mindestens zwei Zahnstangenzähnen in Eingriff oder Anlage steht, wobei die Zahnstangenzähne für die Verwendung der Anti-Roll- oder Rollschutzrollen notwendigerweise gegenüber der Längsachse der Zahnstange schräggestellt sind. Wenn die Größe der Schrägung (oder Schiefstellung) der Zahnstangenzähne ausreichend groß ist, kann eine einzige Rolle eingesetzt werden, weil diese dann nicht in den Zwischenraum zwischen benachbarten Zähnen hineinfallen kann, was - wenn es geschehen würde - die Rollschutzfunktion der Rolle zunichtemachen würde. Wenn die Schrägung der Zahnstangenzähne für die Verwendung einer einzigen Rolle nicht ausreicht, müssen zwei Rollen verwendet werden, die so voneinander beäbstandet sind, daß sichergestellt ist, daß in jedem gegebenen Augenblick mindestens eine der Rollen mit den flachen Spitzen von mindestens zwei Zähnen in Berührung steht, auch wenn sich die andere Rolle über dem Zwischenraum (der Lücke) zwischen benachbarten Zähnen befindet. Die oder jede Rolle kann in einem Träger gelagert sein, der relativ zur Zahnstange so montiert oder gelagert ist, daß eine Rolle nicht in den Zwischenraum zwischen zwei Zähnen eintreten kann.
• Der Rollschutzmechanismus gemäß dieser Erfindung kann zusätzlich zur oder an Stelle der normalen Einrichtung, die zum Einstellen der Zahnstange in bezug auf das Ritzel zwecks Festlegung der gewünschten Eingriffbeziehung zwischen beiden verwendet wird, eingesetzt werden.
• Im folgenden ist eine Zahnstangen-Ritzelanordnung gemäß dieser Erfindung beispielhaft und im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
• Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen von herkömmlichen Zahnstangen-Ritzeleinheiten,
• Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform dieser Erfindung,
• Fig. 4 eine Draufsicht auf (die Anordnung nach) Fig. 3 und
• Fig. 5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
• Gemäß den Fig. 3 und 4 umfaßt die erste Ausführungsform einer Zahnstangen-Ritzelanordnung gemäß dieser Erfindung eine Zahnstange 1, ein Zahnstangenlager 2 und ein Ritzel 5 mit schräggeschnittenen Zähnen 4, wobei diese Bauteile den oben in Verbindung mit Fig. 1 der Zeichnungen beschriebenen Teilen ähnlich sind. Ersichtlicherweise sind die Zähne 6 der Zahnstange 1 mit flachen Oberseiten bzw. Spitzen versehen, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Zahnstange 1 ist aus zylindrischem Ausgangsmaterial geformt, wobei die Zähne zweckmäßigerweise in der Massenfertigung mit einer Eindurchgang-Räumahle geformt werden, welche die Zahnflanken und -spitzen unmittelbar in die Zahnstangenstange einsticht, so daß die Spitzen der Zähne 6 genau aufeinander ausgerichtet sind, d.h. in einer gemeinsamen Ebene liegen.
• Ein erfindungsgemäß vorgesehener Anti-Roll- bzw. Rollschutzmechanismus 20 umfaßt ein Rollschutz-Polster 7 aus einem gehärteten Metall, wie Stahl, welches Polster einen teilzylindrischen Querschnitt besitzt und von einem Polstergehäuse 8 mit einer komplementär teilzylindrischen Lagerfläche 9 aufgenommen ist; das Polster ist dabei darin so aufgenommen, daß eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Teilen um die Längsachse des Polsters 7, nicht aber längs dieser Achse möglich ist. Das Gehäuse 8 ist zylindrisch, aber mit zwei Flachseiten 11 an dem Ende versehen, das dem Ende gegenüberliegt, in welchem die Lagerfläche 9 geformt ist und mit welchem das Gehäuse drehfest in einer Keilplatte 12 montiert ist. Über der Keilplatte 12 ist eine Schließplatte 13 angeordnet, die unter Nutzung der Bohrungen 10 an einem gehäuse des Lenkmechanismus angeschraubt ist, von dem die Zahnstangen-Ritzelanordnung ein Teil darstellt, das jedoch in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt ist. Die Schließplatte 13 ist mit einer Gewindebohrung 14 versehen, die eine Einstellschraube 15 aufnimmt, mit welcher die Anlage des Rollschutz-Polsters 7 an den Zahnstangenzähnen 6 eingestellt und die dann mittels einer Kontermutter 16 in ihrer Stellung gesichert wird.
• Wenn Zahnstange und Ritzel 1 bzw. 5 in allgemeine Eingriffbeziehung miteinander gebracht sind, erfolgt eine Feineinstellung dieser Beziehung mittels einer dem Zahnstangenlager 2 zugeordneten Einstelleinrichtung, die zwar nicht in den Fig. 1 und 2, aber in Fig. 5, auf welche im folgenden Bezug genommen werden soll, dargestellt ist. Nach dieser Einstellung wird das Rollschutz-Polster 7 mittels der Einstellschraube 15 in innige Anlage an die Zahnstangenzähne 6, ohne die Federkraft der Einstelleinrichtung des Lagers 2 zu überwinden, eingestellt, worauf diese Einstellschraube mittels der Kontermutter 16 in der gewählten Stellung gesichert wird. Im Betrieb wird das Ritzel 4 um eine feste Achse gedreht, und es verschiebt bei seiner Drehung, abhängig von der Drehrichtung, die Zahnstange l nach links oder rechts, wobei diese Zahnstangenverschiebung eine Lenkbewegung des Fahrzeugs herbeiführt und in einem sogenannten Servolenkmechanismus typischerweise durch Hydraulikkraft verstärkt wird. Die Zahnstange 1 gleitet unter dem Rollschutz-Polster 7, wobei letzteres dazu dient, die Zahnstange an einer etwaigen Kippbewegung um ihre Längsachse als Folge des durch die beschriebene Drehung des Ritzels 4 auf sie ausgeübten Drehmoments zu hindern. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das Rollschutz-Polster 7 drei der Zahnstangenzähne 6 übergreift; aus Fig. 4 geht hervor, daß sich das Polster praktisch über die Gesamtbreite der flachen Oberseiten der Zahnstangenzähne 6 hinweg erstreckt, wobei zu beachten ist, daß die Zahn- Spitzen, obgleich die Wurzeln der Zahnstangenzähne über die Gesamtbreite der Zahnstange verlaufen, aufgrund der Verwendung des zylindrischen Ausgangsmaterials für die Zahnstange in herkömmlicher Weise verschmälert sind. Ersichtlicherweise wirkt somit die Gegenwirkkraft zum Drehmoment T zwischen den Spitzen der Zähne 6 und dem Polster 7 und nicht zwischen den Zahnflanken und dem Ritzel 5. Obgleich das Polster 7 an einem größten Teil eines Zahns 6 anliegen muß, braucht es nur einen untergeordneten Teil von einem oder mehreren einander benachbarten Zähnen zu berühren.
• Fig. 5 veranschaulicht ein Teil eines sogenannten Fahrzeug-Servolenkmechanismus mit einem Gehäuse 17, das aus einer Gußkonstruktion besteht und in welchem die Zahnstange 1 für Gleitbewegung gelagert ist, wobei das Ritzel 5 lediglich im Umriß angedeutet ist. Das rechte Ende der Zahnstange 1 steht mit einem Kolben 18 in Eingriff, auf den ein Kolbenring 19 aufgesetzt ist, der in einem als Fortsetzung des Gehäuses 17 angebauten Zylinder 21 verschiebbar geführt ist. Zur Kraftunterstützung der Verschiebung der Zahnstange 1 wird je nach Fall Hydraulikflüssigkeit zur einen oder anderen Seite des Kolbenrings 19 zugelassen.
• Das Lager 2 für die Zahnstange ist an dem Ende, welches dem Ende mit der angeformten Lagerfläche 3 gegenüberliegt, mit einer Ausnehmung 22 versehen, die zur Aufnahme einer Feder 23 dient, über die eine Halteplatte 24 aufgesetzt ist. Die Ausnehmung 22 ist durch eine am Lenkmechanismusgehäuse 17 angeschraubte Schließplatte 25 verschlossen. Die Schließplatte 25 weist eine Gewindebohrung 26 zur Aufnahme einer Einstellschraube 27 mit einer Kontermutter 28 auf, welche Einstellschraube zum Einstellen der Eingriffbeziehung zwischen Zahnstange 1 und Ritzel 5 auf oben erwähnte Weise dient. An der einen, dem Lager 2 gegenüberliegenden (davon abgewandten) Seite des Gehäuses 17 ist der erfindungsgemäße Rollschutzmechanismus vorgesehen, der - wie aus der Zeichnung hervorgeht - in unmittelbarer Nähe des das Ritzel 5 aufnehmenden Teils des Gehäuses angeordnet ist. Der Rollschutzmechanismus 20 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt die gleichen Grundbauteile wie der Rollschutzmechanismus gemäß den Fig. 1 und 2 (vermutlich: Fig. 3 und 4), wobei jedoch bei dieser Ausführungsform das Rollschutz-Polster 7 mit einer der mit den Zahnstangenzähnen 6 in Berührung stehenden Fläche gegenüberliegenden Verlängerung 29 versehen ist, die ihrerseits einen Schlitz 31 aufweist und auch eine Manschette 32 zum Festhalten eines Stifts 33 im Schlitz 31 aufnimmt. Der Stift 33 dient zur Verhinderung einer Drehung des Rollschutz-Polsters 7 um eine lotrechte Achse, läßt jedoch - wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 - eine Bewegung des Polsters um seine Längsachse zum Ausgleichen von Fertigungstoleranzen zu. Bei dieser Ausführungsform entfallen somit die Keilplatte 12 und die Schließplatte 13 der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4. Die Einstellschraube 15 ist unmittelbar in eine im Gehäuse 17 vorgesehene Manschette 34 eingeschraubt und beispielsweise mit Hilfe einer Sicherungsmasse in ihrer Lage gesichert. Einstellung und Arbeitsweise des Rollschutzmechanismus entsprechen den in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschriebenen.
• Ersichtlicherweise kann der Rollschutzmechanismus 20 gemäß den Fig. 3 und 4 anstelle des Mechanismus 20 nach Fig. 5 verwendet werden.
• Das Lager 2 und das Gehäuse 8 des Rollschutz-Polsters bestehen zweckmäßig aus einem mit PTFE beladenen Material, wie einem Kunststoff, um für die Zahnstange eine Lagerfläche mit einem sehr niedrigen Reibungsbeiwert zur Verfügung zu stellen. Die Schmierung der Zahnstange gegenüber dem Lager 2 und dem Polster 7 erfolgt durch Schmierfett oder ein sonstiges Schmiermittel, das im Gehäuse 17 vorgesehen ist und deshalb, weil die Zahnstange 1 mit einer durchgehenden Bohrung versehen ist, um die im Gehäuse enthaltenen Bauteile zu zirkulieren vermag.
• Ersichtlicherweise wird mit der vorliegenden Erfindung somit ein vergleichsweise einfacher, aber höchst wirkungsvoller Anti-Roll- bzw. Rollschutzmechanismus für die Zahnstange einer Zahnstangen-Ritzelanordnung geschaffen, so daß diese Erfindung einen wichtigen technischen Fortschritt darstellt.

Claims (13)

1. Zahnstangen-Ritzelanordnung, umfassend eine verzahnte Zahnstange (1), bei der die Oberseiten bzw. Spitzen ihrer Zähne in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die Zahnstangen-Ritzelanordnung ferner einen Anti-Roll- bzw. Rollschutzmechanismus (20) mit einem Zahnstangenzähne-Anlagemittel, das zur Ermöglichung einer Relativbewegung zwischen der Zahnstange (1) und dem Zähne-Anlagemittel und so montiert oder gelagert ist, daß es in einem (jedem) gegebenen Augenblick an den Spitzen von mindestens zwei Zähnen (6) der Zahnstange anliegt, umfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Zahnstangenzähne-Anlagemittel ein Polster (7) aufweist, das in einem Träger (8) mit einem Mittel zum Einstellen des Polsters relativ zu den Zahnstangenzähnen (6) gehaltert oder gelagert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Polster (7) im Träger (8) für Relativbewegung letzterem gegenüber um mindestens eine Achse gelagert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Polster (7) teilzylindrisch ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Träger (8) gegen eine Drehbewegung um eine Achse im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Zahnstange gehaltert oder gelagert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Träger (8) mit zwei Flachseiten (11) versehen ist, mit deren Hilfe er in einer an einem Gehäuse für die Anordnung angebrachten Keilplatte (12) drehfest montiert ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, wobei das Polster (7) an der Seite, welche der mit den Zahnstangenzähnen (6) in Anlage kommenden Fläche gegenüberliegt, mit einem Schlitz oder einer Ausnehmung (31) versehen ist, welche(r) Schlitz oder Ausnehmung (31) ein durch eine Manschette (32) in seiner Lage gehaltenes langgestrecktes Element (33) aufnimmt, so daß der Träger drehfest montiert ist.

8. Anordnung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei davon abhängig, wobei das Einstellmittel eine Schraube (15) umfaßt.

9. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Zähne-Anlagemittel Rollenmittel umfaßt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Rollenmittel eine einzige Rolle, die im wesentlichen quer zur Zahnstange angeordnet ist und an den Spitzen von mindestens zwei Zahnstangenzähnen anliegt, umfassen.

11. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Rollenmittel mehrere Rollen umfassen, die so voneinander beabstandet sind, daß in einem (jedem) gegebenen Augenblick mindestens eine Rolle an den Spitzen von mindestens zwei Zahnstangenzähnen anliegt.

12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Mittel (27) zum Einstellen der Eingriffbeziehung zwischen Zahnstange und Ritzel.

13. Fahrzeug-Lenkmechanismus mit der Zahnstangen- Ritzelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.