DE69721954T2 - Federgespannter, mechanischer Expander mit festgelegter Vorspannung und konstanter Referenz- Position - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen federgespannten, mechanischen Expander mit festgelegter Vorspannung und konstanter Referenzposition. Der Ausdruck „mechanischer Expander" wird zur Bezeichnung von Vorrichtungen verwendet, die zwischen einem Betätigungselement und einem betätigten Element angeordnet sind und die das Absorbieren der Wirkung (Kraft oder Moment) des Betätigungselements ermöglichen, wenn das betätigte Element blockiert ist, oder die eine Kraft oder ein Moment übertragen, das niedriger ist als ein festgelegter Wert.
• Expander dieser Art werden beispielsweise auf dem Gebiet der Nutzfahrzeuge verwendet. Um die Funktion dieser Expander besser zu verdeutlichen, wird im Folgenden auf zwei Anwendungsmöglichkeiten Bezug genommen, die in 1 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt werden, wobei 1 ein Diagramm eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs ist, das eine Vorderachse und eine Hinterachse hat, die beide gelenkte Räder haben.
• In 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 die beiden Vorderräder eines Kraftfahrzeugs mit Servolenkung an der Vorderachse. Die Räder 1 und 2 sind derart angebracht, dass sie an einer Radachse 3 ausgerichtet und mittels eines vierseitigen, gelenkig befestigten Verbindungssystems gelenkt werden können, das aus zwei Armen 4, 5 besteht, die miteinander durch eine Querstange 6 verbunden sind. Ein zweiter Arm 7 ist starr an dem Arm 5 gekoppelt und mittels eines Zugelements 8 mit dem Betätigungshebel 9 eines hydraulischen Lenksystems, im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, verbunden, das bei Bedienen des Lenkrads 11 das Oszillieren des Hebels 9 in die eine oder andere Richtung erzeugen kann.
• Ein flexibles Kabel 12 ist an einem mittleren Punkt des Hebels 9 gelenkig befestigt und betätigt die Lenkung der Räder 13, 14 der Hinterachse. Die Räder 13, 14 können sich um jeweilige Drehzapfen 15, 16 drehen, die an den entgegengesetzten Enden des Balkens 17, der die Hinterachse bildet, gelenkig befestigt sind.
• Zwei jeweilige Arme 18, 19 sind starr an die Drehzapfen 15, 16 gekoppelt und miteinander durch eine Stange 20 verbunden, die zusammen mit den Armen das vierseitige Lenkverbindungssystem bildet. Ein weiterer Arm 21 ist starr an die Drehzapfen 16 über dem Arm 19 gekoppelt. Ein Heber 22 wirkt zwischen dem Arm 21 und dem Balken 17, und seine Kammern können mit einer zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Öl bestimmten Pumpe 23 und einem Austritt 24 mittels eines Verteilers 25 verbunden werden. Der Verteiler 25 wird durch das flexible Kabel 12 mittels eines Stabs 26 und eines Hebels (Betätigungselement) 27, der schwenkbar nach Art eines Kipphebels befestigt ist, gesteuert. Auf diese Art wird durch das Betätigen des Lenkrads 11 in die eine oder andere Richtung ein Schieber des Verteilers 25 in die entsprechende Lenkrichtung der Hinterräder 13, 14 bewegt.
• Das Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Vorrichtung zum Sperren der Hinterräder, die dann aktiviert wird, wenn die Hinterräder in einer geraden Fahrtrichtung ausgerichtet bleiben sollen. Ein Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise in den italienischen Patentanmeldungen Nr. BO92A000327, Nr. BO95A000029 und in den Europäischen Patentanmeldungen Nr. 95117082.8, Nr. 97100704.2 und Nr. 97118171.4 beschrieben.
• Um durch das Vorgeben einer nicht verlängerbaren Verbindung zwischen dem flexiblen Kabel und dem Schieber des Verteilers (angetriebenes Element) 25 zu verhindern, dass das Sperren der Hinterräder das Lenken der Vorderräder 1 und 2 unmöglich macht, besteht der Stab 26 aus einem linearen Expander, d. h. aus einem Element, das sich verkürzen und verlängern kann, um das Gleiten des Kabels 12 zu ermöglichen. Ein normaler linearer Expander der elastischen Art würde es jedoch nicht ermöglichen, eine konstante Position zu erhalten, an die die Bewegungen des Schiebers 25 weitergeleitet werden könnten, um das Lenken der Hinterräder präzise und wiederholbar zu betätigen.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Expander anzugeben, der derart strukturiert ist, dass er bis zu einem vorgegebenen Wert der übertragenen Kraft wie ein starres Übertragungselement und bei Überschreiten dieses Werts wie ein elastisches Element funktioniert.
• Im Rahmen dieser Zielsetzung ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Expander anzugeben, der, unter Zugrundelegung desselben Erfindungsgedankens, je nach Anforderung ein linearer Expander oder ein rotierender Expander sein kann.
• Dieses Ziel sowie diese und weitere Aufgaben, die im Folgenden deutlich werden, werden gemäß der Erfindung mit einem Expander gelöst, dessen charakteristische Eigenschaften in den beigefügten Ansprüchen festgelegt sind.
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden detaillierten Beschreibung auf Grundlage der beiliegenden Zeichnungen deutlich gemacht, in denen:
• 1 ein Diagramm eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs ist;
• 2 eine Schnittansicht eines linearen Expanders gemäß der vorliegenden Erfindung entlang einer Längsebene ist;
• 3 ein Längsschnitt eines Expander der rotierenden Art gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• 4 eine Schnittansicht entlang der Ebene IV-IV der 3 ist;
• 5 eine Schnittansicht entlang der Ebene V-V der 3 ist;
• 6 ein Diagramm eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs ist, das mit einer Vorderachse und einer Hinterachse, die beide gelenkte Räder haben, und mit einem Expander der rotierenden Art versehen ist; In Bezug auf 2 besteht der Expander 26 des Beispiels der 1 aus einem äußeren Zylinder (zweites Element) 29, der an einem Ende durch eine Endplatte 30 geschlossen ist, die mit einem Gewindeschaft 31 zum Koppeln an den Schieber des Verteilers 25 versehen ist.
• In den Zylinder 29 ist eine Buchse 32 geschraubt, die einen rohrförmigen Schaft (erstes Element) 33 gleitend trägt, dessen Außenwand von der Innenwand des Zylinders 29 beabstandet ist, um so einen Zwischenraum 34 zu bilden.
• Der rohrförmige Schaft 33 hat an dem außerhalb des Zylinders 29 liegenden Ende einen Gewindeschaft 35 zum Koppeln an einen Arm des Hebels (Betätigungselement) 27.
• Im Inneren des Schaft 33 befindet sich, in einer Zwischenposition, ein Bund 36, der einen Sitz 37 zum Führen eines Stabs 38 bildet, der koaxial in dem rohrförmigen Schaft 33 liegt und zusammen mit dem Schaft einen rohrförmigen Zwischenraum 39 begrenzt, der in dem Zwischenraum 34 liegt.
• Zwei Schrauben 40, 41 sind an die einander abgewandten Enden des Stabs (drittes Element) 38 geschraubt; ihre Köpfe bilden jeweilige Schultern. Der Kopf der Schraube 40 ist dazu bestimmt, gegen den Bund 36 zu stoßen, während der Kopf der Schraube 41 als Anlageelement für einen Ring 42 dient, der extern in dem Zylinder 29 und intern an dem Stab 38 geführt ist.
• Der Ring 42 wird auf dem Kopf der Schraube 41 und auf der Endplatte 30 mittels einem Paar zueinander konzentrischer Federn (erste und zweite elastische Mittel) 43, 44 gehalten, deren einander abgewandte Enden jeweils gegen den Bund 36 und gegen die Kante der Buchse 32 stoßen.
• Aus der vorhergehenden Beschreibung wird daher deutlich, dass der Expander 26 durch das Vorspannen der Federn 43, 44 mit einer vorgegebenen Ausdehnungskraft einen stabilen Referenzzustand beibehält, solange die Vorspannung der Federn 43, 44 größer ist als die Druck- oder Zugkraft, die zwischen den Schäften 31, 35 wirkt. Jede Druckspannung des Expanders, die über die Vorspannung der Feder 43 hinausgeht, bewirkt in der Tat ein Zurückziehen des rohrförmigen Schafts 33 in den Zylinder 29. Ebenso bewirkt jede Zugspannung des Expanders, die über die Vorspannung der Feder 44 hinausgeht, ein Heraustreten des Schafts 33 aus dem Zylinder 29. Lassen jedoch alle über die Vorspannung der Federn 43, 44 hinausgehenden Spannungen nach, erhält der Expander in jedem Fall wieder eine konstante Länge, die durch das Anstoßen des Rings 42 an die Endplatte 30 und an den Kopf der Schraube 41 eingestellt wird, was die Verlängerung des Stabs 38 und des rohrförmigen Schafts 33 bewirkt.
• Unter Verwendung desselben Erfindungsgedanken ist es möglich, einen Expander anzugeben, der mit einem rotierenden Effekt an Stelle einer linearen Wirkung funktioniert.
• 6 zeigt ein Beispiel eines solchen rotierenden Expanders bei Einsatz in einem Fahrzeug, das vorher mit Bezug auf 1 beschrieben wurde und bei dem identische oder in funktioneller Hinsicht ähnliche Bauteile in 6 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
• In 6 ist der rotierende Expander im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 45 bezeichnet und umfasst einen ersten radialen Hebel (Betätigungselement) 46, der mit dem flexiblen Kabel 12 verbunden ist, und einen zweiten radialen Hebel (an getriebenes Element) 47, der mit dem Schieber des Verteilers 25 mittels eines Zugelements 48 verbunden ist. Die radialen Arme 46 und 47 behalten ihre konstante Winkellage bis zu einem gewissen Wert der von dem flexiblen Kabel 12 ausgeübten Zugkraft bei. Sind die Hinterräder 13, 14 derart blockiert, dass sich der Arm 47 nicht drehen kann, so kann der Arm 46 Winkelbewegungen in beide Drehrichtungen bezüglich der Zwischenstellung ausführen.
• Der rotierende Expander 45, siehe 3-5, besteht aus einer Buchse 49, die an einem Träger 49a befestigt ist, der starr mit dem Balken 17 der Hinterachse gekoppelt ist. Eine Welle 51 ist in der Buchse 49 mittels Lager 50 drehbar gelagert und bildet einen Flansch 52, der außerhalb der Buchse 49 liegt.
• Ein zylindrischer Körper 53 ist in dem Flansch 52 zentriert und befestigt und hat an dem dem Flansch 52 abgewandten Ende eine rohrförmige axiale Verlängerung 54 zum Zentrieren des Hebels 47, der frontal an dem Körper 53 befestigt ist.
• Die Welle (erstes Element) 51 verläuft axial in dem Körper 53 und trägt, neben dem Flansch 52, eine Scheibe (drittes Element) 56 mittels eines Lagers 55. Nahe dem Lager 55 hat die Welle 51 zwei diametrale abgewandte Abschrägungen, die einen diametralen Keil 57 bilden. Die Welle 51 erstreckt sich von dem Keil 57 aus mit einem axialen Mitnehmer 58. Eine hohle Welle (zweites Element) 61 ist mit einem peripheren Bund 62 versehen und wird derart getragen, dass sie sich an dem Mitnehmer 58 und in der rohrförmigen Verlängerung 54 des Körpers 53 mittels Lager 59, 60 drehen kann. Die hohle Welle 61 hat ein Ende, das aus der rohrförmigen Verlängerung 54 hinausragt und an dem der Hebel 46 frontal befestigt ist.
• An dem von dem Arm 46 abgewandten Ende hat die hohle Welle 61 zwei diametral entgegengesetzte axiale Zähne 63, zwischen denen sich der Keil 57 befindet.
• Der Keil 57 und die axialen Zähne 63 habe dieselbe Dicke und werden in eine Öffnung 64 der Scheibe 56 eingebracht, die wie eine Sanduhr geformt ist. Die Öffnung 64 besteht in der Tat aus zwei im Wesentlichen dreieckigen Schlitzen, welche einander bezüglich der Achse A der Welle 61 gegenüberliegen und sich gegenseitig schneiden, um das Einbringen des Keils 57 in der Mitte zu ermöglichen, und um dem Keil und den Zähnen 63 das Durchführen von Winkelbewegungen in der Öffnung 64 zu erlauben.
• Eine rohrförmige Kammer 65 ist zwischen dem Körper 53 und der hohlen Welle 61 gebildet und auf einer Seite durch die Scheibe 56 und auf der entgegengesetzten Seite durch den Bund 62 und durch eine Schulter 66 des Körpers 53 axial begrenzt.
• In der Kammer 65 sind zwei konzentrische Federn (erste und zweite elastische Mittel) 67, 68 untergebracht: die abgewandten Enden der äußeren Feder 68 sind starr in der Schulter 66 des Körpers 53 und in der Scheibe 56 gekoppelt, während die einander abgewandten Enden der inneren Feder 67 starr in dem Bund 62 und in der Scheibe 56 gekoppelt sind.
• In dem inaktiven Zustand halten die Federn 67, 68 die Zähne 63 und den Keil 57 in Anlage gegen die selben Seiten der Öffnung 64, die in 4 gezeigt ist. Durch das Wirken der Feder 68 zwischen dem Körper 53 und der Scheibe 56 bringt sie in der Tat die Scheibe in Anlage gegen den Keil 57. Gleichzeitig bringt die Feder 67 durch Wirken zwischen der Scheibe 56 und der hohlen Welle 61 die axialen Zähne 63 in Anlage gegen die Scheibe 56. Der Druck, mit dem die Zähne 62 und der Keil 57 gegen die Seiten der Öffnung 64 drücken, wird durch die Vorspannung der Federn 67, 68 bestimmt.
• Solange die Vorspannungskraft nicht überschritten wird, behalten die Hebel 46, 47 während des Betriebs daher ihre Winkellage bei, und der Expander 45 funktioniert wie ein Zweiarmhebel. Ist die Hinterachse jedoch in der geraden Fahrtrichtung blockiert, so verursacht die Wirkung des Kabels 12 in die eine oder andere Richtung das einfache Drehen des Körpers 53 bezüglich der Welle 61, wodurch der Hebel 46 Winkelbewegungen bezüglich des Hebels 47 durchführen kann.
• Folgen in den Patentansprüchen auf technische Merkmale Bezugszeichen, dienen diese lediglich der besseren Verständlichkeit der Ansprüche und haben folglich keine einschränkende Wirkung auf den Zweck eines Elements, das beispielhaft durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet wird.

Claims (6)

1. Federgespannter mechanischer Expander mit festgelegter Vorspannung und konstanter Referenzposition, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält: ein erstes Element (33; 51) und ein zweites Element (29; 61), die mit einem Betätigungselement (9–12, 27; 9–12, 46) und mit einem angetriebenen Element (25; 47, 48, 25) verbunden sind, wobei das erste und das zweite Element (33, 29; 51, 61) relativ zueinander bewegbar sind; ein drittes Element (38; 56), das wirkungsmäßig mit dem ersten Element (33, 51) in Verbindung steht und aus einer bezüglich des ersten Elements (33; 51) und des zweiten Elements (29; 61) stabilen Referenzposition in eine Position bewegbar ist, in der es bezüglich des ersten Elements (33; 51) oder des zweiten Elements (29; 61) variabel ist; erste elastische Mittel (43; 68), die zwischen dem ersten Element (33; 51) und dem dritten Element (38; 56) angeordnet sind, und zweite elastische Mittel (44; 67), die zwischen dem dritten Element (38; 56) und dem zweiten Element (29; 61) angeordnet sind, wobei die ersten und die zweiten elastischen Mittel (43, 44; 67; 68) einer Vorspannkraft ausgesetzt sind, die so festgelegt ist, daß sie das erste Element (33; 51) und das zweite Element (29; 61) zueinander unbeweglich und in Anlage gegen das dritte Element (38; 56) in der stabilen Referenzposition hält, wenn das erste Element (33; 51) einer Belastung gegenüber dem zweiten Element (29; 61) mit einer Kraft ausgesetzt ist, die kleiner ist als die Vorspannkraft, so daß es dem ersten Element (33; 51) möglich ist, sich relativ zu dem zweiten Element (29; 61) zu bewegen, wobei sich das dritte Element (38; 56) in die variable Position bewegt, wenn das erste Element (33; 51) und das zweite Element (29; 61) beide einer Belastung mit einer Kraft ausgesetzt sind, die größer ist als die Vorspannkraft.
2. Mechanischer Expander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (33) einen rohrförmigen Schaft (33) enthält, in dem ein Stab (38) geführt ist, wobei der Stab das dritte Element (38) darstellt und an einem Ende einen Anschlag (40) und an dem anderen Ende einen Ring (42) hat; und daß das zweite Element aus einem Zylinder (29) besteht, der auf dem rohrförmigen Schaft (33) und auf dem Ring (42) geführt ist, wobei eine erste Feder (43) und eine zweite Feder (44) vorgesehen sind, die jeweils durch Kompression zwischen dem rohrförmigen Schaft (33) und dem Ring (42) und zwischen dem Ring (42) und dem Zylinder (29) wirken.
3. Mechanischer Expander nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält: einen äußeren Zylinder (29), der an einem Ende durch eine Endplatte (30) geschlossen ist, die einen mit einem Gewinde versehenen Mitnehmer (31) zum Koppeln an ein angetriebenes Element (25) hat; eine Buchse (32), die in den Zylinder (29) geschraubt ist; einen rohrförmigen Schaft (33), der gleitend in der Buchse (32) gelagert ist, wobei die Außenwand des Schafts (33) von der Innenwand des Zylinders (29) beabstandet ist, so daß ein erster Zwischenraum (34) gebildet wird, wobei der rohrförmige Schaft (33) an seinem außerhalb des Zylinders liegenden Ende einen Gewindeschaft (35) zum Koppeln mit einem Betätigungselement (9–12, 27) und innen, in einer Zwischenposition, einen Bund (36) hat, der einen Führungssitz (37) für einen Stab (38) bildet, der koaxial in dem rohrförmigen Schaft (33) liegt und zusammen mit dem Schaft einen rohrförmigen Zwischenraum (39) begrenzt, welcher in dem ersten Zwischenraum (34) liegt; wobei jeweilige Schultern (40, 41) an den einander abgewandten Enden des Stabs (38) vorgesehen sind und dazu dienen, gegen den Bund (36) anzustoßen und als Anlageelemente für einen Ring (42) zu dienen, der in dem Zylinder (29) geführt ist; wobei der Ring (42) mittels zweier zueinander konzentrischer Federn (43, 44), deren einander abgewandte Enden gegen den Bund (36) bzw. gegen die Kante der Buchse (32) anstoßen, in Anlage auf der jeweiligen Schulter (41) und der Endplatte (30) des äußeren Zylinders (29) gehalten wird.
4. Expander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element umfaßt: eine erste Welle (51), die drehbar an der hinteren Lenkachse gelagert ist; und einen zylindrischen rohrförmigen Körper (53), der koaxial zu der ersten Welle (51) angebracht ist und mit dem das angetriebene Element (47; 48, 25) verbunden ist; eine Scheibe (56), die in dem Körper (53) drehbar auf der Welle (51) gelagert ist; ein diametrales keilförmiges Element (57), das an der ersten Welle (51) ausgebildet ist; eine zweite, hohle Welle (61), die koaxial zu der ersten Welle (51) drehbar in dem Körper (53) gelagert ist, wobei die zweite Welle (61) ein Ende hat, das aus dem Körper (53) hinausragt und an dem das Betätigungselement (9–12, 46) frontal befestigt ist, wobei das andere Ende zwei diametral entgegengesetzte axiale Zähne (63) hat, zwischen denen der Keil (57) liegt; wobei der Keil (57) und die axialen Zähne (63) in eine Öffnung (64) der Scheibe (56) eingeführt sind, die wie eine Sanduhr mit zwei im wesentlichen dreieckigen Schlitzen geformt ist, welche einander bezüglich der Achse (A) der ersten Welle (51) gegenüberliegen und sich schneiden, um das Einführen des Keils in der Mitte der Öffnung (64) zu ermöglichen und um dem Keil (57) und den axialen Zähnen (63) das Durchführen von Winkelbewegungen in der Öffnung zu erlauben; wobei eine rohrförmige Kammer (65) zwischen dem rohrförmigen Körper (53) und der zweiten Welle (61) gebildet ist, um zwei konzentrische Torsionsfedern (67, 68) aufzunehmen, wobei die einander abgewandten Enden der äußeren Feder (68) starr in dem Körper (53) und in der Scheibe (56) gekoppelt sind und die einander abgewandten Enden der inneren Feder (67) starr an die zweite, hohle Welle (61) und an die Scheibe (56) gekoppelt sind; wobei die Federn (67, 68) derart vorgespannt sind, daß sie den Keil (57) und die axialen Zähne (63) in Anlage in der Öffnung (64) halten, um die stabile Referenzposition zu bilden, wenn der rohrförmige Körper (53) bezüglich der zweiten Welle (61) einer Belastung mit einem Drehmoment ausgesetzt ist, das kleiner ist als die Vorspannkraft, und um die Drehung des rohrförmigen Körpers (53) relativ zu der zweiten Welle (61) zu ermöglichen, mit einer Drehung der Scheibe (56) in die variable Position, wenn der rohrförmige Körper (53) und die zweite Welle (61) einer Belastung relativ zueinander ausgesetzt sind, mit einem Drehmoment, das größer ist als die Vorspannkraft.
5. Mechanischer Expander nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (51) eine Mitnehmer-förmige Verlängerung (58) zum Lagern der zweiten Welle (61) hat.
6. Mechanischer Expander nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (61) einen externen Bund (62) zum Koppeln mit einem Ende der inneren Torsionsfeder (67) hat.