WO2014009428A1 - Vorrichtung zum andrücken einer zahnstange an ein ritzel - Google Patents

Vorrichtung zum andrücken einer zahnstange an ein ritzel Download PDF

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WO2014009428A1
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wedge body
rack
bearing element
pressure
pressure piece
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PCT/EP2013/064608
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Inventor
Markus Lingemann
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Trw Automotive Gmbh
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • B62D3/123—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type characterised by pressure yokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/26—Racks
    • F16H55/28—Special devices for taking up backlash
    • F16H55/283—Special devices for taking up backlash using pressure yokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H55/02—Toothed members; Worms
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    • F16H55/28—Special devices for taking up backlash
    • F16H2055/281—Cylindrical or half-cylindrical bushings around the rack, e.g. using special wedges to reduce play
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/19—Gearing
    • Y10T74/19623—Backlash take-up

Definitions

  • the invention relates to a device for pressing a rack on a pinion, comprising a housing, a pressure piece, which is displaceably guided in the housing along a pressure axis, a bearing element, which is axially fixable on the housing, and radially acted wedge bodies, which in each case on the pressure piece and support on the bearing element and act on the pressure piece axially away from the bearing element.
  • Rack and pinion steering for vehicles are known in various designs from the prior art. Because of their operational principle, all rack and pinion steering systems include a steering gear with a rack and a pinion gear meshing with a toothed portion of the rack. A force applied via the steering wheel to the steering shaft and the pinion rotational force is thereby converted into a rack normal force and forwarded to steerable wheels of a vehicle.
  • the rack and pinion steering systems today are designed as hydraulic, electro-hydraulic or electric power steering systems that assist a driver during the steering operation.
  • a pressure piece is usually used in the region of the pinion, which acts on the rack with as constant a pressing force against the pinion.
  • the setting of the desired pressure force, the consideration of wear due to the sliding friction between the pressure piece and Rack and the avoidance of disturbing rattling noises during vehicle operation represent the biggest challenges to pressure devices for rack and pinion steering.
  • two separate wedge body are provided, but with the assembly of the device, in particular the radial alignment and centering of the wedge body relative to the pressure piece, as well as the exact loading of the pressure piece in the axial direction over the two inclined wedge surfaces proves to be elaborate.
  • An eccentric or not exactly axially aligned loading of the pressure piece can lead to jamming of the pressure device and thus to an undesirable "jerking" of the steering wheel during the steering operation.
  • the object of the invention is to provide a pressure device which ensures an exact and uniform loading of the pressure member in the axial direction with very little installation effort.
  • this object is achieved by a device of the type mentioned, in which the pressure piece on a side facing the bearing element and / or the bearing element is formed on a side facing the pressure piece as a truncated cone, wherein at least three circumferentially uniformly distributed wedge body provided are. Due to the frusto-conical shape of the pressure piece and / or the bearing element at one axial end and the at least three evenly distributed wedge body takes place a radial centering of the wedge body with respect to the pressure axis. The pressure piece is on the one hand in the radial direction reliably centered on the pressure axis out, picking up the radial force components in the centered position, and on the other hand applied uniformly in the axial direction against the rack.
  • the frustoconical side is designed in particular as a "straight" truncated cone, that is, as a truncated cone, in which the base surface and the top surface are arranged parallel and concentric.
  • the wedge body of the pressure device are made of plastic. Since the load can be easily absorbed when choosing a suitable plastic, the plastic design offers advantages in terms of weight, manufacturing costs and customizable design.
  • the wedge body are movable relative to each other and preferably connected to each other by flexible coupling elements. By connecting the wedge body, the number of individual components is reduced and significantly reduces the assembly work for the pressure device.
  • two adjacent wedge bodies in the circumferential direction can each be connected by a flexible coupling element. This provides an easy way to position all wedge bodies relative to each other while still maintaining individual radial mobility.
  • the wedge bodies are designed in one piece with the coupling elements and form a wedge body unit.
  • This Keilpian can be made in particular of plastic with little effort and also requires no pre-assembly, in which individual wedge body must be connected to each other via separate coupling elements.
  • an elastic element in the axial direction in particular a disc spring or a rubber plate, is provided axially between the bearing element and the pressure piece.
  • a spring element is preferably provided which acts radially on the wedge body with respect to the pressure axis.
  • the spring element surrounding the wedge body in particular enclose, and radially inward, that is to each other, act upon. This allows a simple production of the wedge body or the wedge body unit as well as an uncomplicated mounting of the spring element on the wedge bodies.
  • the spring element protrudes axially beyond the wedge body, has an axial elasticity and is supported axially on the bearing element.
  • the spring element preferably an O-ring of rubber or a similar elastic material, provides both for a radial loading of the wedge body and for a play-free axial elasticity within the pressure device.
  • the wedge body wedge-shaped in the axial direction.
  • the wedge bodies seen radially from the inside to the outside, can also expand in the circumferential direction and form segment-shaped wedge bodies.
  • the invention also includes a rack and pinion steering system for motor vehicles, comprising a housing, a rack displaceably mounted in the housing, a pinion which engages the rack, and a device described above, which acts on the rack against the pinion.
  • FIG. 1 is a detail section through a rack and pinion steering inventive pressure device in the assembled state
  • FIG. 2 is a detail section through a rack and pinion steering inventive pressure device in use;
  • FIG. 3 shows a section AA through the pressure device according to FIG. 2 at the beginning of the service life;
  • FIG. 4 shows a section A-A through the pressure device according to FIG. 2 towards the end of the service life;
  • - Figure 5 is a detail section of the rack and pinion steering of Figure 2 with a pressure device according to the invention according to an alternative embodiment;
  • FIG. 6 is a detail section of the rack and pinion steering of Figure 1 with a pressure device according to the invention according to a further alternative embodiment;
  • FIG. 7 is a detail section of the rack and pinion steering of Figure 2 with a pressure device according to the invention according to a further alternative embodiment;
  • FIG. 8 is a detail section of the rack and pinion steering of Figure 7 with a pressure device according to the invention according to a further alternative embodiment;
  • FIG. 9 shows a section A-A through the pressure devices according to FIGS. 7 and 8 at the beginning of the service life.
  • FIG. 10 is a section A-A through the pressure devices according to Figures 7 and 8 towards the end of the service life.
  • Figures 1 and 2 show a section of a rack and pinion steering system 10 for motor vehicles, with a housing 12, a longitudinally displaceably mounted in the housing 12 rack 14, a pinion 16 which engages the rack 14, and a pressure device 18, which the rack 14 against the pinion 16 is applied.
  • the pressure device 18 according to Figure 1 in an assembled state and shown in Figure 2 in a state of use.
  • the housing 12 of the pressure device 18 is designed in the present case in one piece with the housing 12 of the rack and pinion steering 10.
  • the pressure device 18 may also be a separate housing have, which is then attached to a housing of the rack and pinion steering 10.
  • the device 18 for pressing the rack 14 against the pinion 16 encompasses the housing 12, a pressure piece 20, which is displaceably guided in the housing 12 along a pressure axis A, a bearing element 22 which can be fixed axially to the housing 12, and radially acted upon Wedge body 24, which are respectively supported on the pressure piece 20 and on the bearing element 22 and the pressure piece 20 act axially from the bearing element 22 away in the direction of the rack 14.
  • the pressure piece 20 is designed as a truncated cone on a side facing the bearing element 22, specifically as a "straight" truncated cone, in which the circular base surface is arranged parallel and concentric relative to the circular top surface , wherein in the present embodiment, six circumferentially distributed evenly wedge body 24 24 are provided (see Figures 3 and 4).
  • the pinion 16 and the pressure piece 20 are arranged on opposite sides of the toothed racks 14 such that a rotational axis R of the pinion 16 and the pressure axis A of the pressure device 18 to cut.
  • the pressure axis A and the rack axis Z may also be offset from each other.
  • FIGS. 3 and 4 each show a section A-A through the pressure device 18 according to FIG. 2. It becomes clear that the individual wedge bodies 24 are connected to one another by flexible coupling elements 28, but are nevertheless movable relative to one another. Specifically, the coupling elements 28 each connect two wedge bodies 24 adjacent in the circumferential direction 26.
  • the wedge body 24 and the coupling elements 28 are made of a plastic integrally formed as a wedge body unit 30.
  • This integrally formed Keilanalysistician 30 simplified to a considerable extent, the assembly of the pressure device 18, since the wedge body 24 need not be individually positioned in the housing 12.
  • the pressure device 18 further comprises a spring element 32, which acts on the wedge body 24 in relation to the pressure axis A radially inwardly.
  • the spring element 32 is a snap ring made of metal, in particular spring steel, which has two turns and the wedge body 24 encloses.
  • the snap ring may also be designed as a C-spring.
  • snap rings with two or more turns are preferably used.
  • a hose spring can be used.
  • the pressure piece 20 and the wedge body 24 and the Keil Sciencestician 30 are arranged in an opening 33 of the housing 12, wherein at least the pressure member 20 with respect to the pressure axis A in the radial direction accurately, but axially displaceable in the Housing opening 33 is received.
  • the spring element 32 is already mounted upon insertion of the wedge body unit 30 and acts on the wedge body 24 radially inwardly.
  • a mounting pin 34 is provided which extends axially through the wedge body unit 30 so that the wedge bodies 24 are radially supported on the mounting pin 34.
  • the mounting pin 34 also extends into a recess 36 of the otherwise frusto-conical shaped end face of the pressure piece 20 and thereby ensures a respect to the pressure axis A concentric arrangement of the pressure member 20 and the Keilanalysistician 30 in the assembled state.
  • the bearing element 22 is inserted into the housing opening 33 and axially fixed to the housing 12.
  • the bearing element 22 can be fastened so that it already exerts a certain axial prestress, so that the rack 14 is subjected to a force against the pinion 16 via the wedge body unit 30 and the pressure piece 20.
  • the bearing member 22 is a bearing cap, wherein an external thread of the bearing cap engages in an internal thread of the housing opening 33 to axially fix the bearing member 22 to the housing 12. A desired axial positioning is easily adjustable in this case.
  • the bearing element 22 has a mounting opening 38, through which the mounting pin 34 extends axially outward of the housing 12. Finally, the mounting pin 34 is axially pulled out of the pressure device 18 via the mounting opening 38 in order to activate the pressure device 18, that is, to transfer it from the mounting state into its operating state according to FIG.
  • the wedge body 24 After removing the mounting pin 34, the wedge body 24 move radially inwardly due to the spring force of the spring member 32, so that a circumferential gap 40 is formed, the radial dimension is indicated in Figure 2 with d. Since at least three wedge bodies 24 distributed uniformly over the circumference are provided, a radial centering between the wedge body unit 30 and the pressure piece 20 automatically takes place. At the same time, a predeterminable axial pressure force F and mc k arises over the lateral surface of the truncated cone and the inclined surfaces adjoining the wedge body 24.
  • This pressure force F and mc k can be adjusted, for example, via an angle of the lateral surface and the oblique surfaces relative to the pressure axis A, a radial spring force of the spring element 32 and the coefficients of friction between wedge body 24 and pressure piece 20 or between wedge body 24 and bearing element 22.
  • a mounting plug 42 such as a rubber plug, clipped into the mounting hole 38 to close the mounting hole 38 is substantially tight.
  • FIG. 3 shows a cross section AA through the pressure device 18 in use at the beginning of the service life.
  • the circumferential gap 40 ensures that a movement of the rack 14 along its rack axis Z is not hindered by the pressure device 18 during a steering maneuver. Should during the steering maneuver, for example due to manufacturing tolerances in the components of the rack and pinion steering 10, the rack 14 exert a force F Z s in the direction of the pressure axis A on the pressure device 18, which exceeds the pressing force F An dmck the pressure device 18, the pressure member 20 can move axially toward the bearing element 22 by the wedge body 24 against the spring force of the spring element 32 pushes radially outward.
  • the radial dimension d of the circumferential gap 40 represents a maximum displacement of the wedge body 24.
  • the housing 12 forms a stop which limits a displacement of the wedge body 24 radially outward.
  • the spring element 32 is received in a circumferential groove 44 of the wedge body 24 and the Keiligentician 30 so that the wedge body 24 and the Keiligentician 30 extends radially further outward than the spring element 32.
  • the spring element 32 is axially fixed, and As soon as the force F Z s, which acts from the toothed rack 14 in the direction of the pressure axis A, falls below the pressure force F An dmck, the wedge bodies 24 are returned to their position by the spring element 32 moved according to FIG.
  • FIG. 4 shows a cross-section A-A in the state of use towards the end of the service life by the pressure device 18.
  • An axial dimension of the pressure piece 20 has been reduced at this time by the wear occurring during the service life. So that the desired pressing force FAndmck is maintained and no axial clearance in the pressure device 18 is formed, the wedge body 24 were the spring element 32 with increasing wear more and more towards each other, that is acted upon radially inwardly.
  • the wedge bodies 24 widen in a wedge shape in the axial direction (see FIGS. 1 and 2).
  • the wedge bodies 24 also widen in the circumferential direction 26 and form segment-shaped wedge bodies 24 according to FIGS. 3 and 4 in order to reduce the surface pressures and thus also the material stress.
  • FIGS. 5 to 8 show alternative embodiments of the pressure device 18.
  • the basic design and the general mode of operation of the pressure device 18 according to FIGS. 1 to 4 correspond to the above description and only the differences of the embodiments are discussed below.
  • individual features explained only with reference to a specific embodiment can of course also be combined with other embodiments in a meaningful way.
  • FIG. 5 shows a detail of the rack and pinion steering system 10 with a pressure device 18, which differs from the embodiment according to FIG. 2 only in that not the pressure piece 20 on a side facing the bearing element 22, but the bearing element 22 on a side facing the pressure piece 20 is designed as a truncated cone.
  • the Keilanalysistician 30 is installed accordingly reversed.
  • both the pressure piece 20 on a side facing the bearing element 22 and the bearing element 22 would be formed on a side facing the pressure piece 20 as a truncated cone.
  • the wedge body 24 would then have on both axial sides each complementary, oblique wedge surfaces.
  • 6 shows a detail of the rack and pinion steering system 10 with an alternative pressure device 18.
  • the spring element 32 of the pressure device 18 is formed here as an O-ring, wherein the O-ring is made for example of a plastic.
  • an elastic member 46 is provided in the axial direction.
  • this elastic element 46 is a rubber plate which increases the friction between the wedge bodies 24 and the bearing element 22.
  • a movement of the pressure element 20 in the direction of the bearing element 22 is initially effected by an axial compression of the elastic element 46 reached.
  • a displacement of the wedge body 24 relative to the bearing Element 22 radially outward is possible only to a small extent via a corresponding deformation of the elastic element 46.
  • FIG. 7 A section of the rack and pinion steering system 10 with a further alternative pressure device 18 can be seen in FIG.
  • the pressure device 18 according to Figure 7 differs from the embodiment of Figure 6 only in that the elastic element 46 is formed as a plate spring.
  • the friction between the pressure pieces 20 and the bearing element 22 is not or only slightly increased compared to the embodiment of Figure 2. Consequently, in case of overload, an axial movement of the pressure piece 20 in the direction of the bearing element 22 can take place both due to an axial deformation of the plate spring and due to a radial displacement of the wedge body 24 relative to the bearing element 22.
  • the spring element 32 is produced as an O-ring made of plastic, in particular rubber, but in this case the O-ring is axial projects beyond the wedge body 24, is axially elastic and is supported axially on the bearing element 22.
  • the wedge body 24 radially inwardly to provide a substantially constant pressure force F and mc k and a wear compensation available.
  • the spring element 32 according to FIG. 8 is axially elastic and protrudes axially beyond the wedge bodies 24, it simultaneously assumes the function of the elastic element 46 of the pressure device 18 (compare FIGS. 6 and 7). Consequently, such an elastic element 46 can be omitted.
  • FIGS. 9 and 10 show, analogously to FIGS. 3 and 4, cross-sections A-A through the pressure device 18, wherein the spring element 32 in FIGS. 9 and 10 is, however, designed as an O-ring made of plastic and not as a metal snap ring.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (18) zum Andrücken einer Zahnstange (14) an ein Ritzel (16), mit einem Gehäuse (12), einem Druckstück (20), das im Gehäuse (12) entlang einer Andruckachse (X) verschieblich geführt ist, einem Lagerelement (22), das axial am Gehäuse (12) fixierbar ist, sowie radial beaufschlagten Keilkörpern (24), welche sich jeweils am Druckstück (20) sowie am Lagerelement (22) abstützen und das Druckstück (20) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagen, wobei das Druckstück (20) auf einer dem Lagerelement (22) zugewandten Seite und/oder das Lagerelement (22) auf einer dem Druckstück (20) zugewandten Seite als Kegelstumpf ausgebildet ist, und wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung (26) gleichmäßig verteilte Keilkörper (24) vorgesehen sind.

Description

Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel, mit einem Gehäuse, einem Druckstück, das im Gehäuse entlang einer Andruckachse verschieblich geführt ist, einem Lagerelement, das axial am Gehäuse fixierbar ist, sowie radial beaufschlagten Keilkörpern, welche sich jeweils am Druckstück sowie am Lagerelement abstützen und das Druckstück axial vom Lagerelement weg beaufschlagen.
Zahnstangenlenkungen für Fahrzeuge sind in verschiedenen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund ihres Funktionsprinzips weisen alle Zahnstangenlenkungen ein Lenkgetriebe mit einer Zahnstange und einem Ritzel auf, wobei das Ritzel mit einem gezahnten Bereich der Zahnstange kämmt. Eine über das Lenkrad auf die Lenkwelle und das Ritzel aufgebrachte Rotationskraft wird dabei in eine Zahnstangennormalkraft umgewandelt und an lenkbare Räder eines Fahrzeugs weitergeleitet. Üblicherweise sind die Zahnstangenlenkungen heutzutage als hydraulische, elektrohydraulische oder elektrische Hilfskraftlenkungen ausgebildet, die einen Fahrzeugführer beim Lenkvorgang unterstützen.
Da im Lenkgetriebe mitunter beträchtliche Kräfte auftreten, wurde bereits recht früh erkannt, dass besondere Vorkehrungen zu treffen sind, um die Zahnstange in möglichst spielfreiem Eingriff mit dem Ritzel zu halten. Es besteht ansonsten die Gefahr, dass sich die Zahnstange unter Belastung vom Ritzel weg bewegt, indem sie sich quer zur Zahnstangenlängsrichtung verformt. Dabei würde es zumindest zu einer unerwünschten Erhöhung des Spiels in der Lenkung, im Extremfall sogar zu einem Durchrutschen der Lenkung kommen.
Um dies zu verhindern, wird im Bereich des Ritzels üblicherweise ein Druck- stück eingesetzt, welches die Zahnstange mit einer möglichst konstanten Andruckkraft gegen das Ritzel beaufschlagt. Das Einstellen der gewünschten Andruckkraft, die Berücksichtigung von Verschleißerscheinungen infolge der beim Lenkvorgang auftretenden Gleitreibung zwischen Druckstück und Zahnstange sowie die Vermeidung von störenden Klappergeräuschen während des Fahrzeugbetriebs stellen dabei die größten Herausforderungen an Andruckvorrichtungen für Zahnstangenlenkungen dar.
In der gattungsgemäßen US 7,654,166 B2 ist bereits eine Andruckvorrichtung für Zahnstangenlenkungen beschrieben, welche im Fahrzeugbetrieb weitgehend spielfrei und damit besonders geräuscharm arbeitet sowie darüber hinaus eine Einstellung der Andruckkraft des Druckstücks erlaubt.
Um die Andruckvorrichtung weitgehend spielfrei zu halten, sind zwei separate Keilkörper vorgesehen, wobei sich jedoch die Montage der Vorrichtung, insbe- sondere die radiale Ausrichtung und Zentrierung der Keilkörper relativ zum Druckstück, sowie die exakte Beaufschlagung des Druckstücks in axialer Richtung über die beiden geneigten Keilflächen als aufwendig erweist. Eine ausmittige oder nicht genau axial ausgerichtete Beaufschlagung des Druckstücks kann zum Verklemmen der Andruckvorrichtung und damit zu einem unerwünschten„Ruckeln" des Lenkrads beim Lenkvorgang führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Andruckvorrichtung zu schaffen, die bei besonders geringem Montageaufwand eine exakte und gleichmäßige Beaufschlagung des Druckstücks in axialer Richtung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung der ein- gangs genannten Art, bei der das Druckstück auf einer dem Lagerelement zugewandten Seite und/oder das Lagerelement auf einer dem Druckstück zugewandten Seite als Kegelstumpf ausgebildet ist, wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Keilkörper vorgesehen sind. Infolge der kegelstumpfförmigen Ausbildung des Druckstücks und/oder des Lagerelements an einem axialen Ende sowie der wenigstens drei gleichmäßig verteilten Keilkörper findet eine radiale Zentrierung der Keilkörper bezüglich der Andruckachse statt. Das Druckstück wird dabei einerseits in radialer Richtung zuverlässig auf die Andruckachse hin zentriert, wobei sich die radialen Kraftkomponenten in der zentrierten Position aufheben, und andererseits in axialer Richtung gleichmäßig gegen die Zahnstange beaufschlagt. Die kegelstumpfförmige Seite ist dabei insbesondere als „gerader" Kegelstumpf ausgebildet, das heißt als Kegelstumpf, bei dem die Grundfläche und die Deckfläche parallel und konzentrisch angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Keilkörper der Andruckvorrichtung aus Kunststoff hergestellt. Da bei der Wahl eines geeigneten Kunststoffs die auftretenden Belastungen problemlos aufgenommen werden können, bietet die Kunststoffausführung Vorteile in Bezug auf Gewicht, Herstellungskosten und anpassbare Formgebung.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel sind die Keilkörper relativ zueinander bewegbar und vorzugsweise durch flexible Kopplungselemente miteinander verbunden. Durch die Verbindung der Keilkörper wird die Anzahl der Einzelbauteile reduziert und der Montageaufwand für die Andruckvorrichtung erheblich verringert.
In dieser Ausführungsform können insbesondere zwei in Umfangsrichtung benachbarte Keilkörper jeweils durch ein flexibles Kopplungselement verbunden sein. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, alle Keilkörper relativ zueinander zu positionieren und dennoch eine individuelle, radiale Bewegbarkeit aufrechtzuerhalten.
Besonders bevorzugt sind die Keilkörper einstückig mit den Kopplungselementen ausgeführt und bilden eine Keilkörpereinheit. Diese Keilkörpereinheit lässt sich insbesondere aus Kunststoff mit geringem Aufwand fertigen und benötigt zudem keine Vormontage, bei der einzelne Keilkörper über separate Kopplungselemente miteinander verbunden werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform der Andruckvorrichtung ist axial zwischen dem Lagerelement und dem Druckstück ein in axialer Richtung elastisches Element, insbesondere eine Tellerfeder oder eine Gummiplatte, vorgesehen. Dadurch lassen sich beispielsweise Fertigungstoleranzen bei den Komponenten der Zahnstangenlenkung ausgleichen, ohne dass während eines Lenkmanövers eine Bewegung der Zahnstange in unerwünschter Weise durch das Druckstück behindert wird.
Außerdem ist vorzugsweise ein Federelement vorgesehen, welches die Keilkörper in Bezug auf die Andruckachse radial beaufschlagt. Durch dieses Feder- element lässt sich zum einen auf einfache Weise die Selbstzentrierung des Druckstücks bezüglich der Andruckachse realisieren und zum anderen der auftretende Druckstückverschleiß durch Radialverschiebung der Keilkörper kompensieren.
Beispielsweise kann das Federelement die Keilkörper umgeben, insbesondere umschließen, und radial nach innen, das heißt aufeinander zu, beaufschlagen. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung der Keilkörper bzw. der Keilkörpereinheit sowie eine unkomplizierte Montage des Federelements an den Keilkörpern.
In einer speziellen Ausführungsvariante ragt das Federelement axial über die Keilkörper hinaus, ist axial elastisch ausgebildet und stützt sich axial am Lager- element ab. Damit sorgt das Federelement, vorzugsweise ein O-Ring aus Gummi oder einem ähnlich elastischen Material, sowohl für eine radiale Beaufschlagung der Keilkörper als auch für eine spielfreie axiale Elastizität innerhalb der Andruckvorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Andruckvorrichtung weiten sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper in axialer Richtung keilförmig auf. Um die Flächenpressungen zu reduzieren, können sich die Keilkörper, radial von innen nach außen gesehen, auch in Umfangsrichtung aufweiten und segment- förmige Keilkörper bilden.
Die Erfindung umfasst im Übrigen auch eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse verschieblich gelagerten Zahnstange, einem Ritzel, das in die Zahnstange eingreift, und einer oben beschriebenen Vorrichtung, welche die Zahnstange gegen das Ritzel beaufschlagt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
- Figur 1 einen Detailschnitt durch eine Zahnstangenlenkung mit erfindungsgemäßer Andruckvorrichtung im Montagezustand;
- Figur 2 einen Detailschnitt durch eine Zahnstangenlenkung mit erfindungsgemäßer Andruckvorrichtung im Gebrauchszustand; - Figur 3 einen Schnitt A-A durch die Andruckvorrichtung gemäß Figur 2 zu Beginn der Nutzungsdauer;
- Figur 4 einen Schnitt A-A durch die Andruckvorrichtung gemäß Figur 2 gegen Ende der Nutzungsdauer; - Figur 5 einen Detailschnitt der Zahnstangenlenkung aus Figur 2 mit einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform;
- Figur 6 einen Detailschnitt der Zahnstangenlenkung aus Figur 1 mit einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren alternativen Aus- führungsform;
- Figur 7 einen Detailschnitt der Zahnstangenlenkung aus Figur 2 mit einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform;
- Figur 8 einen Detailschnitt der Zahnstangenlenkung aus Figur 7 mit einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform;
- Figur 9 einen Schnitt A-A durch die Andruckvorrichtungen gemäß den Figuren 7 und 8 zu Beginn der Nutzungsdauer; und
- Figur 10 einen Schnitt A-A durch die Andruckvorrichtungen gemäß den Figuren 7 und 8 gegen Ende der Nutzungsdauer.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt einer Zahnstangenlenkung 10 für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse 12, einer in dem Gehäuse 12 längsverschieblich gelagerten Zahnstange 14, einem Ritzel 16, das in die Zahnstange 14 eingreift, und einer Andruckvorrichtung 18, welche die Zahnstange 14 gegen das Ritzel 16 beaufschlagt. Dabei ist die Andruckvorrichtung 18 gemäß Figur 1 in einem Montagezustand und gemäß Figur 2 in einem Gebrauchszustand dargestellt.
Das Gehäuse 12 der Andruckvorrichtung 18 ist im vorliegenden Fall einstückig mit dem Gehäuse 12 der Zahnstangenlenkung 10 ausgeführt. Alternativ kann die Andruckvorrichtung 18 jedoch auch ein separates Gehäuse aufweisen, welches dann an einem Gehäuse der Zahnstangenlenkung 10 befestigt wird.
Die Vorrichtung 18 zum Andrücken der Zahnstange 14 an das Ritzel 16 um- fasst das Gehäuse 12, ein Druckstück 20, das im Gehäuse 12 entlang einer Andruckachse A verschieblich geführt ist, ein Lagerelement 22, das axial am Gehäuse 12 fixierbar ist, sowie radial beaufschlagte Keilkörper 24, welche sich jeweils am Druckstück 20 sowie am Lagerelement 22 abstützen und das Druckstück 20 axial vom Lagerelement 22 weg in Richtung zur Zahnstange 14 beaufschlagen. Das Druckstück 20 ist auf einer dem Lagerelement 22 zugewandten Seite als Kegelstumpf ausgebildet, konkret als„gerader" Kegelstumpf, bei dem die kreisförmige Grundfläche relativ zur kreisförmigen Deckfläche parallel und konzentrisch angeordnet ist. An einer Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Druckstück-Abschnitts liegen die Keilkörper 24 an, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs in Umfangsrichtung 26 gleichmäßig verteilte Keilkörper 24 vorgesehen sind (vgl. Figuren 3 und 4).
Die Andruckachse A erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht, also radial zu einer Zahnstangenachse Z. Darüber hinaus sind das Ritzel 16 und das Druckstück 20 auf gegenüberliegenden Seiten der Zahnstangen 14 so angeordnet, dass sich eine Rotationsachse R des Ritzels 16 und die Andruckachse A der Andruckvorrichtung 18 schneiden. In alternativen Ausführungsformen können die Andruckachse A und die Zahnstangenachse Z jedoch auch zueinander versetzt sein.
Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils einen Schnitt A-A durch die Andruckvorrichtung 18 gemäß Figur 2. Dabei wird deutlich, dass die einzelnen Keilkörper 24 durch flexible Kopplungselemente 28 miteinander verbunden, aber dennoch relativ zueinander bewegbar sind. Konkret verbinden die Kopplungselemente 28 jeweils zwei in Umfangsrichtung 26 benachbarte Keilkörper 24.
Im vorliegenden Fall sind die Keilkörper 24 und die Kopplungselemente 28 aus einem Kunststoff hergestellt einstückig als Keilkörpereinheit 30 ausgebildet. Diese einstückig ausgebildete Keilkörpereinheit 30 vereinfacht in erheblichem Maße die Montage der Andruckvorrichtung 18, da die Keilkörper 24 nicht einzeln im Gehäuse 12 positioniert werden müssen. Die Andruckvorrichtung 18 umfasst ferner ein Federelement 32, welches die Keilkörper 24 in Bezug auf die Andruckachse A radial nach innen beaufschlagt. Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 4 ist das Federelement 32 ein Sprengring aus Metall, insbesondere Federstahl, der zwei Windungen aufweist und die Keilkörper 24 umschließt.
Selbstverständlich kann der Sprengring auch als C-Feder ausgebildet sein. Um jedoch dauerhaft eine hinreichend große und weitgehend konstante Radialkraft bereitzustellen, werden bevorzugt Sprengringe mit zwei oder mehr Windungen eingesetzt. Alternativ zum Sprengring kann auch eine Schlauchfeder zum Einsatz kommen.
Anhand der Figuren 1 bis 4 werden nachfolgend die Funktionsweise und die Vorteile der dargestellten Andruckvorrichtung 18 beschrieben:
Im Montagezustand der Andruckvorrichtung 18 gemäß Figur 1 sind das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 30 in einer Öffnung 33 des Gehäuses 12 angeordnet, wobei zumindest das Druckstück 20 bezogen auf die Andruckachse A in radialer Richtung passgenau, aber axial verschieblich in der Gehäuseöffnung 33 aufgenommen ist.
Das Federelement 32 ist beim Einschieben der Keilkörpereinheit 30 bereits montiert und beaufschlagt die Keilkörper 24 radial nach innen. Um jedoch eine radiale Verschiebung der einzelnen Keilkörper 24 bei der Montage der Andruckvorrichtung 18 zunächst noch zu verhindern, ist ein Montagestift 34 vorgesehen, der sich axial durch die Keilkörpereinheit 30 erstreckt, sodass sich die Keilkörper 24 radial am Montagestift 34 abstützen.
Der Montagestift 34 erstreckt sich zudem in eine Ausnehmung 36 der im Übrigen kegelstumpfförmig ausgebildeten Stirnseite des Druckstücks 20 und gewährleistet dadurch eine bezüglich der Andruckachse A konzentrische Anordnung des Druckstücks 20 und der Keilkörpereinheit 30 im Montagezustand.
Schließlich wird das Lagerelement 22 in die Gehäuseöffnung 33 eingeführt und axial am Gehäuse 12 fixiert. Optional kann das Lagerelement 22 dabei so befestigt werden, dass es bereits eine gewisse axiale Vorspannung ausübt, damit über die Keilkörpereinheit 30 und das Druckstück 20 die Zahnstange 14 gegen das Ritzel 16 kraftbeaufschlagt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lagerelement 22 ein Lagerdeckel, wobei ein Außengewinde des Lagerdeckels in ein Innengewinde der Gehäuseöffnung 33 eingreift, um das Lagerelement 22 axial am Gehäuse 12 zu fixieren. Eine gewünschte axiale Positionierung ist in diesem Fall problemlos einstellbar.
Das Lagerelement 22 weist gemäß Figur 1 eine Montageöffnung 38 auf, durch die sich der Montagestift 34 axial nach außerhalb des Gehäuses 12 erstreckt. Schließlich wird der Montagestift 34 über die Montageöffnung 38 axial aus der Andruckvorrichtung 18 herausgezogen, um die Andruckvorrichtung 18 zu aktivieren, also aus dem Montagezustand in ihren Gebrauchszustand gemäß Figur 2 zu überführen.
Nach dem Entfernen des Montagestifts 34 bewegen sich die Keilkörper 24 aufgrund der Federkraft des Federelements 32 radial nach innen, sodass sich ein Umfangsspalt 40 ausbildet, dessen radiale Abmessung in Figur 2 mit d bezeichnet ist. Da wenigstens drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Keilkörper 24 vorgesehen sind, findet automatisch eine radiale Zentrierung zwischen der Keilkörpereinheit 30 und dem Druckstück 20 statt. Gleichzeitig stellt sich über die Mantelfläche des Kegelstumpfes und die daran anliegenden Schrägflächen der Keilkörper 24 eine vorbestimmbare axiale Andruckkraft FAndmck ein. Diese Andruckkraft FAndmck lässt sich beispielsweise über einen Winkel der Mantelfläche und der Schrägflächen relativ zur Andruckachse A, eine radiale Federkraft des Federelements 32 sowie die Reibwerte zwischen Keilkörper 24 und Druckstück 20 bzw. zwischen Keilkörper 24 und Lagerelement 22 einstellen.
Um das Eindringen von Schmutz in die Andruckvorrichtung 18 zu verhindern, wird nach dem Entfernen des Montagestifts 34 ein Montagestopfen 42, beispielsweise ein Gummistopfen, in die Montageöffnung 38 eingeclipst, um die Montageöffnung 38 im Wesentlichen dicht zu verschließen.
Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt A-A durch die Andruckvorrichtung 18 im Gebrauchszustand zu Beginn der Nutzungsdauer. Der Umfangsspalt 40 stellt dabei sicher, dass bei einem Lenkmanöver eine Bewegung der Zahnstange 14 längs ihrer Zahnstangenachse Z nicht durch die Andruckvorrichtung 18 behindert wird. Sollte während des Lenkmanövers, beispielsweise infolge von Fertigungstoleranzen bei den Komponenten der Zahnstangenlenkung 10, die Zahnstange 14 eine Kraft FZs in Richtung der Andruckachse A auf die Andruckvorrichtung 18 ausüben, welche die Andruckkraft FAndmck der Andruckvorrichtung 18 übersteigt, so kann sich das Druckstück 20 axial in Richtung zum Lagerelement 22 bewegen, indem es die Keilkörper 24 entgegen der Federkraft des Federelements 32 radial nach außen schiebt. Die radiale Abmessung d des Umfangsspalts 40 stellt dabei einen maximalen Verschiebeweg der Keilkörper 24 dar. Mit anderen Worten bildet das Gehäuse 12 einen Anschlag, der eine Verschiebung der Keilkörper 24 radial nach außen begrenzt. Besonders bevorzugt ist das Federelement 32 in einer umlaufenden Nut 44 der Keilkörper 24 bzw. der Keilkörpereinheit 30 aufgenommen, sodass sich die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 30 radial weiter nach außen erstreckt als das Federelement 32. Dadurch ist das Federelement 32 axial fixiert, und es entsteht ein geringeres Anschlaggeräusch bei der radialen Bewegung gegen das Gehäuse 12. Sobald die von der Zahnstange 14 in Richtung der Andruckachse A wirkende Kraft FZs unter die Andruckkraft FAndmck absinkt, werden die Keilkörper 24 durch das Federelement 32 wieder in ihre Position gemäß Figur 3 bewegt.
Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt A-A durch die Andruckvorrichtung 18 im Gebrauchszustand gegen Ende der Nutzungsdauer. Eine axiale Abmessung des Druckstücks 20 hat sich zu diesem Zeitpunkt durch den während der Nutzungsdauer aufgetretenen Verschleiß verringert. Damit die gewünschte Andruckkraft FAndmck erhalten bleibt und kein axiales Spiel in der Andruckvorrichtung 18 entsteht, wurden die Keilkörper 24 vom Federelement 32 mit zunehmendem Verschleiß mehr und mehr aufeinander zu, das heißt radial nach innen beaufschlagt.
Radial von innen nach außen gesehen weiten sich die Keilkörper 24 in axialer Richtung keilförmig auf (siehe Figuren 1 und 2). Zudem weiten sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper 24 jedoch auch in Umfangsrichtung 26 auf und bilden segmentförmige Keilkörper 24 gemäß den Figuren 3 und 4, um die Flächenpressungen und damit auch die Materialbeanspruchung zu reduzieren.
In den Figuren 5 bis 8 sind alternative Ausführungsformen der Andruckvorrichtung 18 dargestellt. Da diese Ausführungsvarianten jedoch hinsichtlich ihrer prinzipiellen Konstruktion und allgemeinen Funktionsweise im Wesentlichen der Andruckvorrichtung 18 gemäß den Figuren 1 bis 4 entsprechen, wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen und im folgenden lediglich auf die Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen. Hierbei lassen sich einzelne, nur anhand einer speziellen Ausführungsform erläuterte Merkmale selbstverständlich auch mit anderen Ausführungsformen in sinnvoller Weise kombinieren.
Die Figur 5 zeigt einen Ausschnitt der Zahnstangenlenkung 10 mit einer Andruckvorrichtung 18, welche sich von der Ausführungsform gemäß Figur 2 lediglich dadurch unterscheidet, dass nicht das Druckstück 20 auf einer dem Lagerelement 22 zugewandten Seite, sondern das Lagerelement 22 auf einer dem Druckstück 20 zugewandten Seite als Kegelstumpf ausgebildet ist. Die Keilkörpereinheit 30 ist entsprechend umgekehrt eingebaut.
Es ist natürlich auch denkbar, die Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 5 zu kombinieren. In diesem Fall wäre sowohl das Druckstück 20 auf einer dem Lagerelement 22 zugewandten Seite als auch das Lagerelement 22 auf einer dem Druckstück 20 zugewandten Seite als Kegelstumpf ausgebildet. Die Keilkörper 24 würden dann auf beiden axialen Seiten jeweils komplementäre, schräge Keilflächen aufweisen. Die Figur 6 zeigt einen Ausschnitt der Zahnstangenlenkung 10 mit einer alternativen Andruckvorrichtung 18. Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsformen ist das Federelement 32 der Andruckvorrichtung 18 hier als O-Ring ausgebildet, wobei der O-Ring beispielsweise aus einem Kunststoff hergestellt ist. Außerdem ist axial zwischen dem Lagerelement 22 und dem Druckstück 20, konkret zwischen dem Lagerelement 22 und den Keilkörpern 24, ein in axialer Richtung elastisches Element 46 vorgesehen. Dieses elastische Element 46 ist gemäß Figur 6 eine Gummiplatte, welche die Reibung zwischen den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22 erhöht. Im Fall einer Überlast, das heißt bei einem Anstieg der Kraft FZs in Richtung der Andruckachse X über die gewünschte Andruckkraft FAndmck hinaus, wird eine Bewegung des Druckstücks 20 in Richtung zum Lagerelement 22 zunächst durch eine axiale Kompression des elastischen Elements 46 erreicht. Eine Verschiebung der Keilkörper 24 relativ zum Lager- element 22 radial nach außen ist nur noch in geringem Maße über eine entsprechende Verformung des elastischen Elements 46 möglich.
Einen Ausschnitt der Zahnstangenlenkung 10 mit einer weiteren alternativen Andruckvorrichtung 18 ist in Figur 7 zu sehen. Die Andruckvorrichtung 18 gemäß Figur 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 6 lediglich dadurch, dass das elastische Element 46 als Tellerfeder ausgebildet ist. Durch diese Tellerfeder wird die Reibung zwischen den Druckstücken 20 und dem Lagerelement 22 gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 2 nicht oder nur in geringem Umfang erhöht. Folglich kann bei Überlast eine axiale Bewegung des Druckstücks 20 in Richtung zum Lagerelement 22 sowohl aufgrund einer axialen Verformung der Tellerfeder als auch aufgrund einer radialen Verschiebung der Keilkörper 24 relativ zum Lagerelement 22 stattfinden.
Die Figur 8 zeigt einen Ausschnitt der Zahnstangenlenkung 10 mit einer weiteren alternativen Andruckvorrichtung 18. Analog zur Ausführungsform gemäß den Figuren 6 und 7 ist das Federelement 32 als O-Ring aus Kunststoff, insbesondere Gummi hergestellt, wobei der O-Ring in diesem Fall jedoch axial über die Keilkörper 24 hinausragt, axial elastisch ist und sich axial am Lagerelement 22 abstützt.
Somit beaufschlagt das als O-Ring ausgebildete Federelement 32 analog zu den übrigen Ausführungsformen die Keilkörper 24 radial nach innen, um eine weitgehend konstante Andruckkraft FAndmck und eine Verschleißkompensation zur Verfügung zu stellen. Da das Federelement 32 gemäß Figur 8 jedoch axial elastisch ist und über die Keilkörper 24 axial hinausragt, übernimmt es gleichzeitig die Funktion des elastischen Elements 46 der Andruckvorrichtung 18 (vgl. Figuren 6 und 7). Folglich kann ein solches elastisches Element 46 entfallen.
Die Figuren 9 und 10 zeigen analog zu den Figuren 3 und 4 Querschnitte A-A durch die Andruckvorrichtung 18, wobei das Federelement 32 in den Figuren 9 und 10 jedoch als O-Ring aus Kunststoff und nicht als Sprengring aus Metall ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange (14) an ein Ritzel (16), mit einem Gehäuse (12),
einem Druckstück (20), das im Gehäuse (12) entlang einer Andruckachse (A) verschieblich geführt ist,
einem Lagerelement (22), das axial am Gehäuse (12) fixierbar ist, sowie radial beaufschlagten Keilkörpern (24), welche sich jeweils am Druckstück (20) sowie am Lagerelement (22) abstützen und das Druckstück (20) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (20) auf einer dem Lagerelement (22) zugewandten Seite und/oder das Lagerelement (22) auf einer dem Druckstück (20) zugewandten Seite als Kegelstumpf ausgebildet ist,
und wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung (26) gleichmäßig verteilte Keilkörper (24) vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) aus Kunststoff hergestellt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) relativ zueinander bewegbar und vorzugsweise durch flexible Kopplungselemente (28) miteinander verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Umfangsrichtung (26) benachbarte Keilkörper (24) jeweils durch ein flexibles Kopplungselement (28) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) und die Kopplungselemente (28) einstückig ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen dem Lagerelement (22) und dem Druckstück (20) ein in axialer Richtung elastisches Element (46), insbesondere eine Tellerfeder oder eine Gummiplatte, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (32) vorgesehen ist, welches die Keilkörper (24) in Bezug auf die Andruckachse (A) radial beaufschlagt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (32) die Keilkörper (24) umgibt und radial nach innen beaufschlagt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (32) axial über die Keilkörper (24) hinausragt, axial elastisch ist und sich axial am Lagerelement (22) abstützt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper (24) in axialer Richtung keilförmig aufweiten.
1 1 . Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit
einem Gehäuse (12),
einer in dem Gehäuse (12) verschieblich gelagerten Zahnstange (14), einem Ritzel (16), das in die Zahnstange (14) eingreift, und
einer Vorrichtung (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche die Zahnstange (14) gegen das Ritzel (16) beaufschlagt.
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