WO2008114161A1 - Rack-and-pinion gear - Google Patents

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WO2008114161A1 PCT/IB2008/050861 IB2008050861W WO2008114161A1 WO 2008114161 A1 WO2008114161 A1 WO 2008114161A1 IB 2008050861 W IB2008050861 W IB 2008050861W WO 2008114161 A1 WO2008114161 A1 WO 2008114161A1
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Abstract

The invention relates to a rack-and-pinion gear having a geometrically predetermined spread, wherein the profile center line (20) on the teeth (2) of the gear rack (1) can form a curve and the pinion is a truncated cone gear wheel. In this way it is achieved that the gear ratio of the rack-and-pinion gear can be configured across the range with different ratios. According to another design, the gear rack (1) is formed of individual straight partial gear racks (1b), wherein for every partial gear rack a partial pinion (10b) configured as a disk gear wheel is provided for engagement. Every gear rack (1) and every partial gear rack (1b) can be composed of straight or arched segments.

Description

ZahnstangengetriebeRack and pinion
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnstangengetriebe gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a rack and pinion gear according to the preamble of patent claim 1.
Um eine Drehbewegung in eine Lineare Bewegung zu wandeln und umgekehrt, werden seit der Zeit der Industrialisierung sogenannte „Zahnstangen als Getriebe" eingesetzt. Die Besonderheit solcher „Getriebe" ist die Tatsache, dass der Durchmesser des Teilkreises eines Zahnrades (nämlich der Zahnstange) unendlich gross ist, was bedeutet, dass die Profilmittellinie eine Gerade (Linie) darstellt. Fusslinie, Profilmittellinie und Kopflinie bewegen sich alle mit der gleichen Geschwindigkeit auf parallelen Geraden.To convert a rotary motion into a linear motion and vice versa, so-called "racks as a gear" have been used since the time of industrialization.The peculiarity of such "gear" is the fact that the diameter of the pitch circle of a gear (namely the rack) infinitely large is, meaning that the profile centerline is a straight line. The foot line, profile center line and head line all move at the same speed on parallel straight lines.
Dieses Prinzip nutzen Zahnstangenlenkungen für Autos, welche mit einer sogenannten Zahnstangenlenkung ausgerüstet sind. Dies sind einfache und wartungsfreundliche Lenkungen. Bei dieser Konstruktion ist das Ende der Lenksäule mit einem Ritzel verbunden, das in eine Zahnstange eingreift und diese beim Drehen des mit der Lenksäule fest verbundenen Lenkrades seitlich verschiebt. Die Drehbewegung des Ritzels wird in eine lineare Bewegung der Zahnstange umgewandelt. An den beiden Enden der Zahnstange sind dann die Spurstangen über Kugelgelenke angeschlossen.This principle use rack and pinion steering for cars, which are equipped with a so-called rack and pinion steering. These are simple and easy to maintain steering systems. In this construction, the end of the steering column is connected to a pinion, which engages in a rack and this laterally displaces upon rotation of the steering column fixed to the steering column. The rotational movement of the pinion is converted into a linear movement of the rack. At the two ends of the rack then the tie rods are connected via ball joints.
Der Nachteil solcher Konstruktionen ist die Gleichmässigkeit der Bewegungsübertragung über die ganze Länge der Zahnstange. Während sich die Zahnstange für jeden Winkel der Drehung des Steuerrades proportional 1° = x cm bewegt, beschreiben die Spurstangen eine Kreisbewegung. Das heisst, in der Mittelstellung braucht es wenig horizontale Verschiebung der Zahnstange, um eine Richtungsänderung des Fahrzeuges zu erreichen. Je weiter jedoch der Einschlagwinkel der Räder von der Geradeausfahrt abweicht, desto mehr Weg muss die Zahnstange zurücklegen, um den gleichen Effekt zu haben. D.h. Bei Geradeausfahrt ist die Lenkung sehr direkt, während für Wendemanöver im Kurvenbereich das Steuerrad weiter gedreht werden muss, um die Räder im gleichen Masse einzuschlagen. Dies bedeutet aber auch, dass im Bereich der Geradeausfahrt am meisten Kraft benötigt wird, um die „direkte" Lenkung zu bedienen. Natürlich kann dies durch das entsprechende Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel- und Lenkraddurchmesser korrigiert werden. Zudem sind moderne Fahrzeuge mit Lenkhilfen ausgerüstet, so dass der Kraftaufwand weniger von Bedeutung ist.The disadvantage of such constructions is the uniformity of the motion transmission over the entire length of the rack. While the rack moves proportionally 1 ° = x cm for each angle of rotation of the steering wheel, the tie rods describe a circular motion. That is, in the middle position, it takes little horizontal displacement of the rack to achieve a change in direction of the vehicle. However, the further the turning angle of the wheels deviates from the straight ahead, the more the rack has to travel to have the same effect. That means when driving straight ahead, the steering is very direct, while for turning maneuvers in the curve area, the steering wheel must be turned further to hit the wheels in the same mass. However, this also means that in the area of straight-ahead driving, the greatest amount of force is needed to operate the "direct" steering, which of course can be corrected by the corresponding gear ratio between the pinion and the steering wheel diameter modern vehicles equipped with power steering, so that the effort is less important.
Von Bedeutung ist jedoch die Sicherheit! Aus Sicherheitsgründen muss die Lenkung immer mechanisch im Wirkeingriff sein. Damit ist man zurück beim Problem der vielen Umdrehungen im Wendemanöver und/oder der allzu direkten Lenkung bei Geradeausfahrt .Of importance, however, is the safety! For safety reasons, the steering must always be mechanically in operative engagement. This is back to the problem of many turns in the turning maneuver and / or too direct steering when driving straight ahead.
Mit der in den Patentanmeldungen EP0915002A1 und EP0915003A1 vorgestellten Wandfluh-Lenkung wurde versucht, eine Lösung dieses Problems anzustreben. Dadurch, dass sogenannte Progressive Lenkungen wie z.B. in der Wandfluh-Lenkung bewusst integrierte „Kardanfehler" und gefühlsmässig schlecht nachvollziehbare unterschiedliche Kräfte auftreten, erhält man zwar Lenkungen mit variablem Übersetzungsverhältnis, kauft sich jedoch den Nachteil unharmonischen Drehmomentes und Einstellwinkel ein, welche für den Normalverbraucher nicht geeignet sind. Ein neuerer Versuch, diesem Problem beizukommen, wurde mit WO2006/079492A1 unternommen. Bei dieser Konstruktion ist der aufzubringende Kraftaufwand über die 360° Lenkradeinschlag offensichtlich unregelmässig. Zudem dürfte der Bau einer solchen Vorrichtung aus wirtschaftlichen Gründen schwierig sein.The Wandfluh steering system presented in patent applications EP0915002A1 and EP0915003A1 has attempted to seek a solution to this problem. The fact that so-called progressive steering such as in the Wandfluh steering deliberately integrated "gimbal" and emotionally incomprehensible different forces occur, although one obtains steering with variable gear ratio, but buys the disadvantage of inharmonic torque and adjustment angle, which is not for the average consumer A recent attempt to solve this problem has been made with WO2006 / 079492A1 In this construction, the effort to be applied over the 360 ° steering wheel is obviously irregular Device be difficult for economic reasons.
Die vorliegende Erfindung stellt sich nunmehr die Aufgabe, ein Zahnstangengetriebe eingangs genannter Art derart zu verbessern, dass die Vorteile der bekannten progressiven Lenkungen erhalten bleiben. Die Übersetzung der Lenkung soll über den ganzen Bereich einstellbar sein. In Bezug auf Drehmoment (Kraft) und Einschlagbewegung der Räder soll die Lenkung über den ganzen Bereich der Drehung des Lenkrades von einem Anschlag zum anderen harmonisch und logisch eingestellt werden können.The present invention now has the task of improving a rack and pinion transmission of the type mentioned in such a way that the advantages of the known progressive steering systems are maintained. The translation of the steering should be adjustable over the entire range. In terms of torque (force) and impact of the wheels steering over the entire range of rotation of the steering wheel from one stop to another should be able to be set harmoniously and logically.
Diese Aufgabe löst ein Zahnstangengetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere erfindungsgemässe Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor und deren Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. This object is achieved by a rack and pinion gear with the features of claim 1. Further inventive features will become apparent from the dependent claims and the advantages thereof are explained in the following description.
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Fig 1 Schematische Aufsicht auf ein Zahnstangengetriebe .Figure 1 Schematic view of a rack and pinion.
Fig 2 Aufsicht auf ein Zahnstangengetriebe.Figure 2 is a plan view of a rack and pinion.
Fig 3 Aufsicht auf eine Zahnstange.Figure 3 is a plan view of a rack.
Fig 4 Ansicht einer Zahnstange.Fig 4 view of a rack.
Fig 5 Perspektivische Darstellung eines Zahnstangengetriebes .Fig 5 Perspective view of a rack and pinion.
Fig 6 Ansicht eines Zahnstangengetriebes.Fig 6 view of a rack and pinion.
Fig 7 Aufsicht auf ein Zahnstangengetriebe (schematisch) .Fig. 7 Top view of a rack and pinion (schematic).
Fig 8 Aufriss und Grundriss eines Zahnstangengetriebes (schematisch) .Fig. 8 Outline and plan of a rack and pinion (schematic).
Fig 9 Perspektivische Darstellung eines Zahnstangengetriebes .9 is a perspective view of a rack and pinion.
Fig 10 Ansicht eines Zahnstangengetriebes (schematisch) .Fig 10 View of a rack and pinion (schematic).
Die Figuren stellen mögliche Ausführungsvorschläge dar, welche in der nachfolgenden Beschreibung als Beispiele erläutert werden. Normalerweise wird für ein Zahnstangengetriebe eine Zahnstange 1 mit Zähnen 2 gleicher Teilung, die auf einer geraden Profilmittelline 20 angeordnet sind, und einem Stirnrad als Ritzel 10 eingesetzt. Man kennt zwar auch Zahnstangen 1 mit gekrümmten Profilmittellinien 20, die Übersetzung bleibt jedoch über den ganzen Bereich des Eingriffs gleich. Wenn nun ein Kegelrad als Ritzel 10 eingesetzt wird, weisen die Zähne 11 des als Kegelrad ausgebildeten Ritzels 10 über deren Länge verschiedene Grossen und damit unterschiedliche Spreizungen auf. Diese Tatsache nutzt die Erfindung, indem sie die Profilmittellinie 20 auf der Zahnstange 1 bogenartig ausbildet (Fig 1, 2 und 3) . Je nach Position auf der x-Achse sind die Zähne 2 der Zahnstange 1 verschiedenartig ausgebildet, damit sie der Grosse der Zähne 11 des Ritzels 10 an der jeweiligen Position entsprechen.The figures represent possible design proposals, which will be explained in the following description as examples. Normally, a rack 1 with teeth 2 of equal pitch, which are arranged on a straight profile center line 20, and a spur gear 10 used as a pinion for a rack and pinion. Although one also knows racks 1 with curved profile center lines 20, but the translation remains the same over the entire range of engagement. Now, if a bevel gear is used as the pinion 10, the teeth 11 of the bevel gear formed as a pinion 10 over its length different sizes and thus different spreads. This fact uses the invention by forming the profile center line 20 on the rack 1 like an arc (Figures 1, 2 and 3). Depending on the position on the x-axis, the teeth 2 of the rack 1 are formed differently, so that they correspond to the size of the teeth 11 of the pinion 10 at the respective position.
Alle Zähne 2 der Zahnstange 1 liegen also auf einer Profilmittellinie 20. Je nach der Position auf der x- Achse, an der die der Position entsprechend ausgebildeten Zähne 2 der Zahnstange 1 mit den Zähnen 11 des Ritzels 10 im Eingriff stehen, ändert sich die Form der Zähne 2 der Zahnstange 1. Sie sind der Teilung der Zähne 11 des Ritzels an der jeweiligen Position angepasst. Je nachdem ändert damit das Übersetzungsverhältnis (Fig 1) zwischen Zahnstange 1 und Ritzel 10. Die Breite 3 der Zähne 2 der ZahnstangeAll of the teeth 2 of the rack 1 thus lie on a profile center line 20. Depending on the position on the x-axis, at which the position of the correspondingly formed teeth 2 of the rack 1 with the teeth 11 of the pinion 10 are engaged, the shape changes the teeth 2 of the rack 1. They are adapted to the pitch of the teeth 11 of the pinion at the respective position. Depending on that, that changes that Gear ratio (Fig 1) between the rack 1 and pinion 10. The width 3 of the teeth 2 of the rack
1 ist kleiner als die Länge 12 der Zähne 11 des Ritzels 10.1 is smaller than the length 12 of the teeth 11 of the pinion 10th
Durch die Wahl der Krümmung respektive des Kurvenverlaufs der Profilmittelline 20 wird je nach Position der Zähne auf der x-Achse das Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel 10 und Zahnstange 1 vorgegeben. Für den Verlauf der Profilmittelline 20 kann jede beliebige Kurve gewählt werden. Man wird die Übersetzung aufgrund der Kompensation der, je nach Stellung der Räder unterschiedlichen, Winkel-Geometrie der Achsschenkel, und der am Lenkrad vorzugsweise gewünschten Kraft wählen.Depending on the position of the teeth on the x-axis, the transmission ratio between the pinion 10 and the rack 1 is predetermined by the choice of the curvature respectively of the profile of the profile center line 20. For the course of the Profilmitellelline 20 any curve can be selected. You will choose the translation due to the compensation of, depending on the position of the wheels different angle geometry of the stub axle, and the force preferably desired on the steering wheel.
Die Kurve der Profilmittellinie 20 auf der Zahnstange 1 wird den für den Einsatz des Zahnstangen Getriebes entprechenden Anforderungen festgelegt. Je nachdem sind dies geometrische Bedingungen, Belastungen des Getriebes, Bedürfnisse des Komforts oder andere Gründe .The curve of the profile center line 20 on the rack 1 is set entprechenden for the use of the rack gearbox requirements. Depending on this, these are geometric conditions, loads on the gearbox, needs of comfort or other reasons.
Bei der Ausgestaltung der Zahngrössen und -formen ist man frei. Es ist nicht erforderlich, dass die Zähne rechtwinklig zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, also eine Geradverzahnung darstellen. Auch eine schräge oder pfeilförmige Anordnung der Zähne auf der Zahnstange 1 und dem Ritzel 10 ist möglich. Das Ritzel 10 kann als Kegelstumpfzahnrad ausgebildet sein.In the design of the tooth sizes and shapes, one is free. It is not necessary that the teeth are arranged at right angles to the direction of movement, So represent a spur toothing. An oblique or arrow-shaped arrangement of the teeth on the rack 1 and the pinion 10 is possible. The pinion 10 may be formed as a truncated cone gear.
Die Zahnstange 1 muss nicht eine zusammenhängende kurvenförmig verlaufende Zahnstange 1 sein. Sie kann aus einzelnen Teilzahnstangen Ib bestehen. Jedem Teil einer solchen Teilzahnstange Ib entspricht ein Teilritzel 10b, das als Kegelstumpfzahnrad oder Scheibenzahnrad ausgebildet sein kann (Fig 7 bis Fig 10) . Die Kurvenform der Zahnstange 1 wird bei Wahl dieser Konstruktionsform durch die aneinander gereihten Teilzahnstangen Ib angenähert. Jedem Segment der Teilzahnstange Ib ist ein entsprechendes Teilritzel 10b zugeordnet. The rack 1 need not be a continuous curved rack 1. It can consist of individual partial racks Ib. Each part of such a partial rack Ib corresponds to a partial pinion 10b, which may be formed as a truncated-cone gear or disc gear (FIGS. 7 to 10). The curve shape of the rack 1 is approximated by the selection of this construction form by the juxtaposed partial racks Ib. Each segment of the partial rack Ib is associated with a corresponding partial pinion 10b.

Claims

Patentansprüche claims
1. Zahnstangengetriebe geometrisch vorbestimmter Spreizung der Übersetzung, wobei zwischen mindestens einem Ritzel und mindestens einer Zahnstange eine Wirkverbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizung und die Zähne (2) der Zahnstange (1) je nach Position der auf einer vorgegebenen Profilmittelline (20) angeordneten Zähne (2) unterschiedlich ist, wobei das Ritzel (10) als Kegelstumpfzahnrad ausgebildet ist, und die Länge (3) der Zähne (2) der Zahnstange (1) auf die Länge (12) der Zähne (11) des Ritzels (10) angepasst sind, wobei die Zähne (2) auf der Zahnstange (1) auf der Profilmittellinie (20) in einem durch die jeweilige Stellung auf einer x-Achse vorgegebenen, unterschiedlichen Abstand angeordnet und der Position die sich auf der Zahnstange (1) ergibt, entsprechend ausgebildet sind.1. rack gear geometrically predetermined spreading of the translation, wherein between at least one pinion and at least one rack is an operative connection, characterized in that the spread and the teeth (2) of the rack (1) depending on the position of a given profile center line (20) arranged teeth (2) is different, wherein the pinion (10) is designed as a truncated cone gear, and the length (3) of the teeth (2) of the rack (1) on the length (12) of the teeth (11) of the pinion (10 ), wherein the teeth (2) on the rack (1) arranged on the profile center line (20) in a given by the respective position on an x-axis, different distance and the position which results on the rack (1) , are trained accordingly.
2. Zahnstangengtriebe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (1) aus mehreren Teilzahnstangen (Ib) besteht, und das Ritzel (10) aus mehreren Teilritzel (10b) besteht. 2. Zahnstangengtriebe according to claim 1, characterized in that the rack (1) consists of a plurality of partial racks (Ib), and the pinion (10) consists of a plurality of partial pinion (10b).
3. Zahnstangengetriebe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung der Zähne (2) auf der Zahnstange (1) und den Teilzahnstangen (Ib) gleich ist, wie die Teilung der Zähne (11) des Ritzels (10) und der Teilritzel (10b) an der entsprechenden Position an der Zahnstange (1) und den Teilzahnstangen (Ib) sowie dem Ritzel (10) und den Teilritzel (10b) die im Eingriff sind.3. rack gear according to claim 1, characterized in that the pitch of the teeth (2) on the rack (1) and the sub-racks (Ib) is the same as the pitch of the teeth (11) of the pinion (10) and the pinion ( 10b) at the corresponding position on the rack (1) and the sub-racks (Ib) and the pinion (10) and the sub-pinion (10b) which are engaged.
4. Zahnstangengetriebe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilmittelline (20) auf der Zahnstange (1) eine Kurve bildet.4. rack gear according to claim 1, characterized in that the profile center line (20) on the rack (1) forms a curve.
5. Zahnstangengetriebe gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander gereihten Teilzahnstangen (Ib) auf einer Kurve angeordnet sind die der theoretischen Profilmittelinie (20) einer durchgehenden Zahnstange (1) entspricht.5. rack gear according to claim 4, characterized in that the juxtaposed partial racks (Ib) are arranged on a curve which corresponds to the theoretical profile center line (20) of a continuous rack (1).
6. Zahnstangengetriebe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Kegelstumpfzahnrad ausgebildete Ritzel (10) durch Teilritzel (10b) mit verschiedenen Durchmessern ersetzt ist, wobei die Ausbildung der Zähne auf die entsprechende, im Eingriff mit dem zugehörigen Teilritzel (10b) befindende Teilzahnstange (Ib) angepasst ist. 6. rack gear according to claim 1, characterized in that the pinion (10) designed as a truncated tooth gear is replaced by partial pinion (10b) with different diameters, wherein the formation of the teeth on the corresponding, in engagement with the associated pinion (10b) located part rack (Ib) is adjusted.
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