WO2014009497A2 - Vorrichtung zum andrücken einer zahnstange an ein ritzel - Google Patents

Vorrichtung zum andrücken einer zahnstange an ein ritzel Download PDF

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WO2014009497A2
WO2014009497A2 PCT/EP2013/064737 EP2013064737W WO2014009497A2 WO 2014009497 A2 WO2014009497 A2 WO 2014009497A2 EP 2013064737 W EP2013064737 W EP 2013064737W WO 2014009497 A2 WO2014009497 A2 WO 2014009497A2
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pressure
pinion
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Markus Lingemann
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Trw Automotive Gmbh
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • 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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    • 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 and a rack and pinion steering for motor vehicles with such a pressure device.
  • Rack and pinion steering 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.
  • 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 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 the rack occurring during the steering operation and the avoidance of disturbing rattling noises during vehicle operation represent the greatest challenges to pressure devices for rack and pinion steering.
  • a pressure device for rack and pinion steering is already described, which operates largely free of play and thus very quiet operation of the vehicle and also allows adjustment of the pressure force of the pressure piece.
  • two separate wedge body are provided in this document, the oblique wedge surfaces attack the pressure piece.
  • the two wedge body are acted upon by a spring element transversely to a pressure axis against each other, wherein the radial force is converted via the wedge surfaces in an axial force which presses the pressure piece axially against the rack.
  • the assembly of the device in particular the radial alignment and centering of the wedge body relative to the pressure piece, providing a sufficient axial pressure force by the radially acting spring element and the exact loading of the pressure piece in the axial direction over the two inclined wedge surfaces proves to be expensive in this case and problematic.
  • 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.
  • DE 10 2010 039 202 A1 shows a pressure device for rack and pinion steering, in which the pressure piece is supposed to adjust itself while maintaining a desired clearance in the event of wear.
  • the pressure device has a housing part in which a piston loaded by a pressure piece spring in the direction of the toothed rack is displaceably guided.
  • a spindle is provided, which is coupled to the pressure piece by means of a non-rotatable by axial force first threaded connection and is connected to a nut by means of a rotatable axial force second threaded connection, wherein the piston forms a coupling with the nut and a movement of the nut relative to Piston bounded in a direction away from the rack direction.
  • the pressure device further comprises an adjusting spring, which is arranged between the pressure piece and the piston and the pressure piece in the direction of the rack loaded with a spring force.
  • the pressure device comprises a stop which limits the path of the nut in the direction of the rack.
  • the object of the invention is to provide a pressure device for rack and pinion steering, which compensates for wear and tear with low assembly costs and ensures a precisely aligned, uniform and sufficiently large loading of the pressure piece in the axial direction.
  • a device for pressing a rack on a pinion with a housing, a pressure piece, which is displaceably guided in the housing along a pressure axis, a bearing element which is axially fixed to the housing, an axially applied force introduction body, and wedge bodies which are respectively supported on the pressure piece, on the bearing element and the force introduction body, wherein at least three circumferentially uniformly distributed wedge body are provided, and wherein the force introduction body on the one hand, the wedge body radially outwardly and on the other hand, the pressure member axially from the bearing element away.
  • the usually considerable, desired axial pressure force of the pressure piece can be generated in this case simply and reliably by direct axial loading of the force introduction body.
  • 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 bodies are movable relative to each other.
  • the wedge body can be connected to each other by means of coupling elements, in particular by means of flexible coupling elements, which reduces the number of individual components and reduces the assembly effort for the pressure device.
  • two circumferentially adjacent wedge bodies can each be connected by a flexible coupling element be. 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 axially elastic element in the axial direction in particular an O-ring or a plate spring is provided axially between the bearing element and the pressure piece.
  • this elastic element e.g. Compensate for manufacturing tolerances in the steering gear without a movement of the rack is obstructed in an undesirable manner by the pressure piece during a steering maneuver.
  • the force introduction body has a cone section, with which it is supported on contact surfaces of the wedge body which are designed to be essentially complementary.
  • an end face of the pressure piece facing the wedge bodies may have a conical portion on which contact surfaces of the wedge bodies which are of essentially complementary design are supported.
  • this conical or frustoconical design of the pressure piece on the wedge bodies facing end face and the at least three circumferentially uniformly distributed wedge body takes place a radial centering of the wedge body with respect to the pressure axis. In the centered position, the radial force components cancel and the pressure piece is applied uniformly in the axial direction against the rack.
  • the end face of the pressure piece is designed in particular as a "straight" cone or truncated cone, that is as a cone, in which the tip is centered over the base or as a truncated cone, in which the base and the top surface are arranged parallel and concentric.
  • a spring element is provided, which is supported on the force introduction body and on the pressure piece, so that the force introduction body is acted upon axially away from the pressure piece.
  • the spring element is designed as a helical spring, which extends in the axial direction.
  • a spring element may be provided, which is supported on the force introduction body and on the bearing element, so that the force introduction body is acted upon axially away from the bearing element.
  • the spring element may for example be a coil spring which extends in the axial direction. Function and effect of the spring element are substantially identical to the aforementioned embodiment. Structurally, the two variants differ mainly in that in one case the pressure piece and in the other case the bearing element forms a receiving space for the spring element.
  • it makes sense to record the spring element in the pressure piece since its axial guidance in the housing significantly improves with increasing axial dimension. However, since only an outer jacket is required for the axial guidance, an unused volume remains inside the pressure element, which can easily absorb the spring element.
  • the wedge body wedge-shaped in the axial direction.
  • the wedge bodies viewed radially from the inside to the outside, can also expand in the circumferential direction and form segment-shaped, in particular circular 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 shows a detail section through a rack-and-pinion steering according to the invention with a pressure device according to the invention in the state of use;
  • FIG. 2 shows two detail sections through the rack and pinion steering according to Figure 1 with inventive pressure device in the assembled state
  • FIG. 3 is a detail section through the pressing device according to the invention according to an alternative embodiment in use;
  • FIG. 4 is a detail section through the pressure device according to Figure 3 in the assembled state
  • FIG. 5 is a detail section through the pressing device according to the invention according to a further alternative embodiment in the use state;
  • FIG. 6 is a detail section through a pressure device according to the prior art
  • FIG. 7 is a detail section through the pressure device according to Figure 3.
  • FIG. 8 is a section through a pressing device according to a further embodiment in the initial state
  • FIG. 9 is a section through the pressure device of Figure 8 in use.
  • FIG. 10 is a diagram in which an axial pressure piece movement is applied over a occurring in the region of the pressure piece rack-lateral load for various pressure devices.
  • 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 Rack 14 against the pinion 16 acted upon.
  • the pressure device 18 is shown according to Figure 1 in a use state and according to Figure 2 in an assembled state.
  • 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. Alternatively, however, the pressure device 18 may also have a housing 12, which is then attached to a separate 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 is axially fixable on the housing 12, an axially acted upon Force introduction body 23 and a plurality of wedge body 24, which are respectively supported on the pressure piece 20, the bearing element 22 and the force introduction body 23.
  • the pressure axis A extends substantially perpendicularly, i.
  • the pinion 16 and the pressure piece 20 are arranged on opposite sides of the rack 14 so that an axis of rotation R of the pinion 16 and the pressure axis A of the pressure device 18 intersect.
  • the pinion 16 and the pressure piece 20 but also be arranged so that the rotation axis R and the pressure axis A are offset from one another.
  • wedge bodies 24 are provided which are distributed uniformly distributed in the circumferential direction 26, wherein the force introduction body 23 both the pressure member 20 axially away from the bearing element 22 as also the wedge body 24 is acted radially outward.
  • the force introduction body 23 has a cone section 28, with which it is supported on contact surfaces 30 of the wedge bodies 24 which are designed to be essentially complementary.
  • the pressure piece 20 has on a wedge bodies 24 side facing a cone-shaped pressure piece section. 1 and 2 form a lateral surface of a "straight" cone, in which the conical apex lies centrally above the circular base surface.
  • These contact surfaces 34 of the wedge body are essentially complementary to this lateral surface 24, wherein in the present embodiment, six circumferentially 26 evenly distributed wedge body 24 are provided (see Figure 2).
  • FIG. 2 shows both a longitudinal section and a cross section X-X of the pressure device 18. It is clear in the cross section X-X that the individual wedge bodies 24 are connected to one another by flexible coupling elements 36, but are nevertheless movable relative to one another. Specifically, the coupling elements 36 each connect two adjacent wedge body 24 in the circumferential direction 26. In the present case, the wedge body 24 and the coupling elements 36 are made of a plastic and integrally formed as a wedge body unit 38.
  • the pressure device 18 further comprises a spring element 40, which is supported on the force introduction body 23 and on the bearing element 22, so that the force introduction body 23 is axially acted upon by the pressure piece 20 away.
  • the spring element 40 is in the present case designed as a helical spring compression spring which extends in the axial direction and a desired axial pressure force F and mc k provides.
  • the pressure piece 20 and the wedge body 24 and the Keil stresses GmbH 38 are arranged in an opening 42 of the housing 12, wherein at least the pressure piece 20th relative to the pressure axis A in the radial direction accurately, but axially displaceable in the housing opening 42 is added.
  • the bearing element 22 is formed in several parts in the present case and comprises an outer ring 44 and an inner lid 46.
  • the inner lid 46 has in the embodiment of Figure 1 on a pressure piece 20 side facing a recess 48 for receiving the spring element 40.
  • the outer ring 44 of the bearing member 22 abuts against contact surfaces 45 of the wedge body 24 and forms a thrust bearing for the wedge body 24.
  • the outer ring 44th the bearing element 22 is attached to the housing 12.
  • an external thread of the outer ring 44 is screwed into an internal thread of the opening 42, so that the outer ring 44 of the bearing element 22 in the axial direction relative to the housing 12 is adjustable.
  • an elastic element 50 in the axial direction is provided.
  • This elastic element 50 is according to Figures 1 and 2, an O-ring, for example made of rubber, which increases the friction between the wedge bodies 24 and the bearing element 22 and provides for a predetermined, desired axial play in the pressure device 18.
  • the elastic element 50 is accommodated in a groove 49 of the wedge body 24 and projects beyond the wedge bodies 24 in the axial direction.
  • a plate spring can be used as an elastic element 50.
  • the flexibility within the pressure device 18 is sufficient to compensate for certain dimensional tolerances in the steering gear of the rack and pinion steering 10, so that no elastic element 50 is necessary.
  • the outer ring 44 of the bearing element 22 is screwed up to a fixed stop 52 in the housing 12.
  • This stop 52 is chosen so that the pressure piece 20 and the wedge body 24 (or the Keil stressestician 38) in the axial direction still have some play.
  • the force introduction body 23 and the spring element 40 are inserted into the opening 42 of the housing 12 and secured by means of the inner cover 46 on the housing 12 (see Figure 1).
  • an external thread of the inner cover 46 is screwed into an internal thread of the outer ring 44 for this purpose.
  • the spring element 40 is biased so that it acts on the force introduction body 23 axially against the wedge body 24.
  • the inner lid 46 is screwed into the outer ring 44 until a predetermined torque is reached, which corresponds to a desired pressing force F and mc k . Since the force introduction body 23 with its cone portion 28 to the in
  • Essentially complementary formed contact surfaces 30 of the wedge body 24 is present, the wedge body 24 due to the axial pressure force F and mc k by a force F radia i radially outwardly applied.
  • the radial force F rad i a i shifts the wedge body 24 so far outward until it is compensated by increasing frictional forces, in which case primarily the compression of the elastic member 50 and the resulting increase in the surface pressure between the wedge bodies 24 and the pressure piece 20th to call.
  • FIGS. 3 and 4 show the device 18 for pressing the rack 14 to the pinion 16 according to an alternative embodiment, which, however, in terms of their basic construction and general operation substantially the embodiment according to Figures 1 and 2 corresponds, so in this regard explicitly to the above Reference is made to description and will be discussed below only differences in the embodiments.
  • the force introduction body 23 seen in the axial direction is now provided between the wedge bodies 24 and the pressure piece 20 and not, as in the embodiment according to Figures 1 and 2, between the wedge bodies 24 and the bearing element 22. Accordingly, the spring element 40 is not supported more on the force introduction body 23 and on the bearing element 22, but on the force introduction body 23 and the pressure piece 20 from, so that the force introduction body 23 is acted upon axially by the pressure piece 20 away. Due to this design change, the spring element 40 no longer needs to be accommodated in the bearing element 22, so that the bearing element 22 can be made more compact in the axial direction.
  • the elastic element 50 is arranged in the pressure device 18 according to the figures 3 and 4 between the pressure piece 20 and the wedge bodies 24, but performs the same function as in the embodiment according to Figures 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a mounting state of the pressure device 18, in which the pressure piece 20, the spring element 40, the force introduction body 23 and the wedge body 24 and the Keiligentician 38 are disposed in the opening 42 of the housing 12, wherein at least the pressure piece 20 with respect to the Pressure axis A in the radial direction accurately, but axially displaceable in the housing Opening 42 is received.
  • two O-rings 53 are provided according to Figures 3 and 4, which are each received in a circumferential groove of the pressure piece 20.
  • the bearing element 22 is integrally formed in this embodiment and is screwed by means of a suitable tool 54 in the housing opening 42.
  • a suitable tool 54 for this purpose, an external thread is provided on the bearing element 22 and a complementary internal thread is provided on the opening 42 of the housing 12.
  • the tool 54 has a mandrel 56 which extends through an opening 58 in the bearing element 22 and engages an axial extension 60 of the force introduction body 23. Accordingly, the tool 54 can be acted upon by a predetermined torque in order subsequently to set a desired basic position by a targeted turning back of the bearing element 22.
  • the mandrel 56 is omitted as a thrust bearing for the force introduction body 23, so that the cone portion 28 of the force introduction body 23 is supported on the wedge bodies 24 and this applied radially outward (Figure 3).
  • the force introduction body 23 has the cone section 28, which rests against the essentially complementary contact surfaces 30 of the wedge bodies 24. Furthermore, cylindrical extensions 60, 62 are formed at the axial ends of the force introduction body 23, which engage in the spring element 40 designed as a helical spring or in the opening 58 of the bearing element 22.
  • the wedge bodies 24 facing side of the pressure piece 20 is formed according to the figures 3 and 4 at least partially cone-shaped. Specifically, the end face 32 of the pressure piece 20 forms a lateral surface of a truncated cone, on which the substantially complementary formed Support contact surfaces 34 of the wedge body 24. The end face 32 also has the groove 49, in which the elastic element 50 is received.
  • the wedge bodies 24 Seen radially from the inside to the outside, the wedge bodies 24 initially wedge-shaped in the axial direction and then reduce their axial dimension again (see FIGS. 3 and 4). In addition, viewed radially from the inside out, the wedge bodies 24 also widen in the circumferential direction 26 and form circular segment-shaped wedge bodies 24 according to FIG. 2, in order to reduce the surface pressure and thus also the material stress.
  • a suitable material is selected, depending on the occurring stress as well as the production cost.
  • bearing element 22 for example, as a casting or as a turned / milled part made of aluminum.
  • the force introduction body 23 is a turned steel part, and depending on the load and the desired coefficient of friction and a plastic design is conceivable. In any case, a cone angle ⁇ of the force introduction body 23 can be adapted to the respective boundary conditions and requirements with little effort.
  • the wedge body 24, which may also form a wedge body unit 38 in some embodiments, are preferably made of plastic.
  • a cone ring is rotated from the plastic, which is then cut radially into wedge segments. Even with this rotary part, the cone angle ⁇ and a cone angle ß can be easily adapted to individual requirements.
  • Pinion 16 is shown according to a further embodiment, which substantially corresponds in terms of their basic construction and general operation of the embodiment according to Figures 3 and 4, so reference is made to the above description with respect to the basic functional principle and will be discussed below only differences of the embodiments.
  • the two embodiments of the pressure device 18 differ only by the construction of the pressure piece 20, which is made in one piece in Figures 3 and 4.
  • the pressure piece 20 is constructed in two parts according to Figure 5, from a base body 64 and an insert 66.
  • the insert 66 is axially movably mounted in the base body 64 and is supported in the axial direction via the elastic member 50 on the base body 64.
  • the elastic element 50 according to Figure 5 is an O-ring, for example made of rubber, and provides for a predetermined, desired axial play in the pressure device 18.
  • overload that is, with a rise of a rack force F Z s in the direction of the pressure axis A beyond the desired pressing force F and mc k addition, a certain movement of the pressure pad main body 64 in the direction of the bearing element 22 by axial compression of the elastic member 50 is made possible.
  • dimensional tolerances in the components of the rack-and-pinion steering system 10 can be compensated for, without the movement of the rack 14 being noticeably impeded during a steering maneuver.
  • the elastic element 50 in the pressure device 18 according to FIG. 5 is arranged between the insert 66 and the main body 64 of the pressure element 20, it fulfills the same function as in the embodiments according to FIGS. 1 to 4. Since the elastic element 50 according to FIG At the same time, the function of the radial damping of the pressure piece 20 in the housing 12 takes over, can be dispensed with in comparison to the embodiment according to Figures 3 and 4 on one of the two O-rings 53.
  • FIG. 6 shows a pressure device 18 for rack and pinion steering 10 according to the prior art, in which no wedge body 24 are provided to compensate for signs of wear in the rack and pinion steering 10.
  • FIG. 7 shows a pressure device 18 according to the invention for a rack-and-pinion steering system 10, in which a plurality of wedge bodies 24 are provided with the cone angles ⁇ , ⁇ .
  • FIG. 8 and 9 a further embodiment is shown.
  • the components known from the previous embodiments are the same Reference numeral used, and reference is made in this regard to the above explanations.
  • FIGS. 8 and 9 is based on the embodiment of FIG. 5, but differs therefrom in that a support element 90 is provided on the bearing element 22.
  • the support element 90 is designed here as a circumferential collar which extends from the bearing element to the rack 14.
  • the support member 90 may abut a support surface 92, which is provided on the side of the insert 66, which faces the bearing element 22. In the initial state, shown in FIG. 8, the support element 90 defines the maximum distance of the insert 66 from the rack 14.
  • the support element 90 has two functions. First, it can be used during assembly to adjust the predetermined elastic play with little effort. First, the bearing element 22 is screwed into the housing 12 at maximum until all the elements (from the bearing element via the insert 66 to the pressing piece 20) are "on block". Then, we screwed back the bearing element 22 by a predetermined angle, resulting in the predetermined elastic play (see the area marked "S" between the insert 66 and the pressure piece 20). The second function of the support member 90 is to provide a limit to the maximum backward movement of the insert 66 in the event of overload. Regardless of the state of wear of the wedge body 24 and a possible evasive movement of the wedge body 24 inwardly, the support member 90 limits how far the insert 66 can be pushed away from the rack 14 in the direction of the bearing element 22.
  • FIG. 10 shows a diagram in which an axial displacement s of the pressure element 20 is represented by a rack force F Z s, the rack force F Z s being subdivided into a force range 68 of conventional steering maneuvers, a transition region 70 and a force region 72 indicates a peak load use of the rack and pinion steering 10.
  • the behavior of the pressure device 18 according to the prior art is for a new rack and pinion steering 10 in curve 74 and for a Rack and pinion steering 10, which was already subject to some wear, shown in curve 75.
  • the cone angle ⁇ , ⁇ , the respectively desired pressure force F and mc k and the respective friction between the force introduction body 23 and the wedge bodies 24, the wedge bodies 24 and the pressure element 20 and the wedge bodies 24 and the bearing element 22, themselves can be suitably adjusted in the force range 72 (peak load use of the rack and pinion steering 10) prevent large pressure piece displacements (see curves 78, 79).
  • the axial play of the pressure element 20 remains at a constant low level and is also largely unaffected by signs of wear in the rack and pinion steering 10.
  • the driver thereby takes over almost all of the load acting on the rack and pinion 10 load cases (see the curves 78, 79 between 600 N and 7000 N) and over the entire useful life of the pressure device 18 (compare substantially identical course of the curves 78 and 79) no undesirable change in the steering behavior true.
  • the occurring in the rack and pinion steering 10, for example, in a sliding layer 80 of the pressure piece 20 wear is compensated in the pressure device 18 according to the invention by a displacement of the wedge body 24 radially outward.
  • a certain degree of desired axial displacement of the pressure element 20 is ensured by the elastic element 50 or an otherwise existing elasticity in the region of the pressure device 18, and thus the dimensional tolerances occurring in the toothed region can be absorbed in design terms.

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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 (A) verschieblich geführt ist, einem Lagerelement (22), das axial am Gehäuse (12) fixierbar ist, einem axial beauf- schlagten Krafteinleitungskorper (23), sowie Keilkörpern (24), welche sich jeweils am Druckstück (20), am Lagerelement (22) und am Krafteinleitungskorper (23) abstützen, wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung (26) gleichmäßig verteilte Keilkörper (24) vorgesehen sind, und wobei der Krafteinleitungskorper (23) die Keilkörper (24) radial nach außen und das Druckstück (20) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagt.

Description

Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel sowie eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge mit einer solchen Andruckvorrichtung.
Zahnstangenlenkungen 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 wegbewegt, 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 Druckstück 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 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 in dieser Druckschrift zwei separate Keilkörper vorgesehen, deren schräge Keilflächen am Druckstück angreifen. Die beiden Keilkörper werden von einem Federelement quer zu einer Andruckachse gegeneinander beaufschlagt, wobei die Radialkraft über die Keilflächen in eine Axialkraft umgesetzt wird, welche das Druckstück axial gegen die Zahnstange presst. Die Montage der Vorrichtung, insbesondere die radiale Ausrichtung und Zentrierung der Keilkörper relativ zum Druckstück, die Bereitstellung einer hinreichenden axialen Andruckkraft durch das radial wirkende Federelement sowie die exakte Beaufschlagung des Druckstücks in axialer Richtung über die beiden geneigten Keilflächen erweist sich in diesem Fall jedoch als aufwendig und problematisch. Eine ausmittige oder nicht genau axial ausgerichtete Beaufschlagung des Druckstücks kann zum Verklemmen der Andruckvorrichtung und somit zu einem unerwünschten„Ruckeln" des Lenkrads beim Lenkvorgang führen.
Die DE 10 2010 039 202 A1 zeigt eine Andruckvorrichtung für Zahnstangen- lenkungen, bei der sich das Druckstück unter Beibehaltung eines gewünschten Spiels im Falle eines Verschleißes selbst nachstellen soll. Die Andruckvorrichtung weist hierzu ein Gehäuseteil auf, in welchem ein durch eine Druckstückfeder in Richtung auf die Zahnstange belasteter Kolben verschieblich geführt ist. Ferner ist eine Spindel vorgesehen, welche mit dem Druckstück mittels einer durch Axialkraft nicht drehbaren ersten Gewindeverbindung gekoppelt ist und mit einer Mutter mittels einer durch Axialkraft drehbaren zweiten Gewindeverbindung verbunden ist, wobei der Kolben mit der Mutter eine Kupplung ausbildet und eine Bewegung der Mutter relativ zum Kolben in eine von der Zahnstange abgewandte Richtung begrenzt. Die Andruckvorrichtung weist ferner eine Nachstellfeder auf, welche zwischen dem Druckstück und dem Kolben angeordnet ist und das Druckstück in Richtung auf die Zahnstange mit einer Federkraft belastet. Schließlich umfasst die Andruckvorrichtung noch einen Anschlag, der den Weg der Mutter in Richtung auf die Zahnstange begrenzt. Die vorgeschlagene Andruckvorrichtung ist infolge ihrer komplexen Konstruktion allerdings vergleichsweise aufwendig in der Herstellung und Montage.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Andruckvorrichtung für Zahnstangenlenkungen zu schaffen, die bei geringem Montageaufwand Verschleißerscheinungen kompensiert sowie eine exakt ausgerichtete, gleichmäßige und hinreichend große Beaufschlagung des Druckstücks in axialer Richtung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch 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, einem axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper, sowie Keilkörpern, welche sich jeweils am Druckstück, am Lagerelement und am Krafteinleitungskörper abstützen, wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Keilkörper vorgesehen sind, und wobei der Krafteinleitungskörper zum einen die Keilkörper radial nach außen sowie zum anderen das Druckstück axial vom Lagerelement weg beaufschlagt. Die zumeist beachtliche, gewünschte axiale Andruckkraft des Druckstücks lässt sich in diesem Fall einfach und zuverlässig über eine direkte axiale Beaufschlagung des Krafteinleitungskörpers erzeugen. 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 der Zahnstange an das Ritzel sind die Keilkörper relativ zueinander bewegbar. Ferner können die Keilkörper mittels Kopplungselementen, insbesondere mittels flexiblen Kopplungselementen, miteinander verbunden sein, wodurch sich die Anzahl der Einzelbauteile reduziert und der Montageaufwand für die Andruckvorrichtung 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.
Vorzugsweise ist axial zwischen dem Lagerelement und dem Druckstück ein in axialer Richtung elastisches Element, insbesondere ein O-Ring oder eine Tellerfeder vorgesehen. Mit diesem elastischen Element lassen sich z.B. Fertigungstoleranzen im Lenkgetriebe ausgleichen, ohne dass während eines Lenkmanövers eine Bewegung der Zahnstange in unerwünschter Weise durch das Druckstück behindert wird. In einer weiteren Ausführungsform der Andruckvorrichtung weist der Krafteinleitungskörper einen Konusabschnitt auf, mit dem er sich an im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen der Keilkörper abstützt. Infolge des konusförmigen Abschnitts am Krafteinleitungskörper sowie der wenigstens drei gleichmäßig verteilten Keilkörper findet eine radiale Zentrierung des Kraftein- leitungskörpers relativ zu den Keilkörpern statt.
Im Übrigen kann eine den Keilkörpern zugewandte Stirnseite des Druckstücks einen konusförmigen Abschnitt aufweisen, an dem sich im Wesentlichen komplementär ausgebildete Kontaktflächen der Keilkörper abstützen. Infolge dieser kegel- oder kegelstumpfförmigen Ausbildung des Druckstücks an der den Keilkörpern zugewandten Stirnseite sowie der wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Keilkörper findet eine radiale Zentrierung der Keilkörper bezüglich der Andruckachse statt. In der zentrierten Position heben sich die radialen Kraftkomponenten auf und das Druckstück wird in axialer Richtung gleichmäßig gegen die Zahnstange beaufschlagt. Die Stirnseite des Druckstücks ist dabei insbesondere als „gerader" Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet, das heißt als Kegel, bei dem die Spitze mittig über der Grundfläche liegt oder als Kegelstumpf, bei dem die Grundfläche und die Deckfläche parallel und konzentrisch angeordnet sind. In einer Ausführungsform der Andruckvorrichtung ist ein Federelement vorgesehen, welches sich am Krafteinleitungskörper und am Druckstück abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper axial vom Druckstück weg beaufschlagt ist. Beispielsweise ist das Federelement als Schraubenfeder ausgebildet, welche sich in axialer Richtung erstreckt. Somit lässt sich auf einfache Art und Weise eine nahezu beliebige axiale Andruckkraft erzeugen, welche sich durch eine geeignete Wahl des Federelements sehr präzise einstellen lässt.
Alternativ kann ein Federelement vorgesehen sein, welches sich am Krafteinleitungskörper und am Lagerelement abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper axial vom Lagerelement weg beaufschlagt ist. Auch in diesem Fall kann das Federelement beispielsweise eine Schraubenfeder sein, die sich in axialer Richtung erstreckt. Funktion und Wirkung des Federelements sind dabei im Wesentlichen identisch mit der vorgenannten Ausführungsform. Strukturell unterscheiden sich die beiden Ausführungsvarianten hauptsächlich dadurch, dass im einen Fall das Druckstück und im anderen Fall das Lagerelement einen Aufnahmeraum für das Federelement bildet. Üblicherweise bietet es sich an, das Federelement im Druckstück aufzunehmen, da sich dessen Axialführung im Gehäuse mit zunehmender axialer Abmessung deutlich verbessert. Nachdem zur Axialführung jedoch lediglich ein Außenmantel benötigt wird, verbleibt im Inneren des Druckstücks ein ungenutztes Volumen, welches problemlos das Federelement aufnehmen kann.
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, insbesondere kreissegmentförmige 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 nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
- Figur 1 einen Detailschnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnstangenlen- kung mit erfindungsgemäßer Andruckvorrichtung im Gebrauchszustand;
- Figur 2 zwei Detailschnitte durch die Zahnstangenlenkung gemäß Figur 1 mit erfindungsgemäßer Andruckvorrichtung im Montagezustand;
- Figur 3 einen Detailschnitt durch die erfindungsgemäße Andruckvorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform im Gebrauchszustand;
- Figur 4 einen Detailschnitt durch die Andruckvorrichtung gemäß Figur 3 im Montagezustand;
- Figur 5 einen Detailschnitt durch die erfindungsgemäße Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform im Gebrauchszustand;
- Figur 6 einen Detailschnitt durch eine Andruckvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- Figur 7 einen Detailschnitt durch die Andruckvorrichtung gemäß Figur 3;
- Figur 8 einen Schnitt durch eine Andruckvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform im Ausgangszustand;
- Figur 9 einen Schnitt durch die Andruckvorrichtung von Figur 8 im Gebrauchszustand; und
- Figur 10 ein Diagramm, bei dem für verschiedene Andruckvorrichtungen eine axiale Druckstückbewegung über einer im Bereich des Druckstücks auftretenden Zahnstangen-Querbelastung aufgetragen ist.
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 Gebrauchszustand und gemäß Figur 2 in einem Montagezustand 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 Gehäuse 12 aufweisen, welches dann an einem separaten 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, einen axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper 23 sowie mehrere Keilkörper 24, welche sich jeweils am Druckstück 20, am Lagerelement 22 und am Krafteinleitungskörper 23 abstützen. Die Andruckachse A erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht, d.h. radial zu einer Zahnstangenachse Z. Darüber hinaus sind das Ritzel 16 und das Druckstück 20 auf gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange 14 so angeordnet, dass sich eine Rotationsachse R des Ritzels 16 und die Andruckachse A der Andruckvorrichtung 18 schneiden. Alternativ können das Ritzel 16 und das Druckstück 20 aber auch so angeordnet sein, dass die Rotationsachse R und die Andruckachse A zueinander versetzt sind.
Um eine Zentrierung der Keilkörper 24 relativ zum Druckstück 20 und zum Krafteinleitungskörper 23 sicherzustellen, sind im Allgemeinen wenigstens drei Keilkörper 24 vorgesehen, die in Umfangsrichtung 26 gleichmäßig verteilt ange- ordnet sind, wobei der Krafteinleitungskörper 23 sowohl das Druckstück 20 axial vom Lagerelement 22 weg als auch die Keilkörper 24 radial nach außen beaufschlagt.
Hierzu weist der Krafteinleitungskörper 23 einen Konusabschnitt 28 auf, mit dem er sich an im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 30 der Keilkörper 24 abstützt. Bei einer Beaufschlagung des Krafteinleitungskörpers 23 axial gegen die Keilkörper 24, werden diese folglich nicht nur axial, sondern auch radial nach außen beaufschlagt. Auch das Druckstück 20 weist auf einer den Keilkörpern 24 zugewandten Seite einen konusförmigen Druckstück-Abschnitt auf. Konkret bildet eine den Keilkörpern 24 zugewandte Stirnseite 32 des Druckstücks 20 gemäß den Figuren 1 und 2 eine Mantelfläche eines„geraden" Kegels, bei dem die Kegelspitze mittig über der kreisförmigen Grundfläche liegt. An dieser Mantelfläche stützen sich im Wesentlichen komplementär ausgebildete Kontaktflächen 34 der Keilkörper 24 ab, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs in Umfangsrichtung 26 gleichmäßig verteilte Keilkörper 24 vorgesehen sind (vgl. Figur 2).
Die Figur 2 zeigt sowohl einen Längsschnitt als auch einen Querschnitt X-X der Andruckvorrichtung 18. Im Querschnitt X-X wird deutlich, dass die einzelnen Keilkörper 24 durch flexible Kopplungselemente 36 miteinander verbunden, aber dennoch relativ zueinander bewegbar sind. Konkret verbinden die Kopplungselemente 36 jeweils zwei in Umfangsrichtung 26 benachbarte Keilkörper 24. Im vorliegenden Fall sind die Keilkörper 24 und die Kopplungselemente 36 aus einem Kunststoff hergestellt sowie einstückig als Keilkörpereinheit 38 ausgebildet.
Diese einstückig ausgebildete Keilkörpereinheit 38 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 40, welches sich am Krafteinleitungskörper 23 und am Lagerelement 22 abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper 23 axial vom Druckstück 20 weg beaufschlagt ist. Das Federelement 40 ist im vorliegenden Fall eine als Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder, die sich in axialer Richtung erstreckt und eine gewünschte axiale Andruckkraft FAndmck bereitstellt.
Anhand der Figuren 1 und 2 werden nachfolgend die Funktionsweise und die Vorteile der dargestellten Andruckvorrichtung 18 beschrieben:
In einem Montagezustand der Andruckvorrichtung 18 gemäß Figur 2 sind das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 38 in einer Öffnung 42 des Gehäuses 12 angeordnet, wobei zumindest das Druckstück 20 bezogen auf die Andruckachse A in radialer Richtung passgenau, aber axial verschieblich in der Gehäuseöffnung 42 aufgenommen ist.
Das Lagerelement 22 ist im vorliegenden Fall mehrteilig ausgebildet und umfasst einen Außenring 44 sowie einen Innendeckel 46. Der Innendeckel 46 weist im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 auf einer dem Druckstück 20 zugewandten Seite eine Ausnehmung 48 zur Aufnahme des Federelements 40 auf.
Der Außenring 44 des Lagerelements 22 grenzt an Kontaktflächen 45 der Keilkörper 24 an und bildet ein Axiallager für die Keilkörper 24. Um das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 38 in der Öffnung 42 des Gehäuses 12 zu halten, wird der Außenring 44 des Lagerelements 22 am Gehäuse 12 befestigt. Hierzu wird ein Außengewinde des Außenrings 44 in ein Innengewinde der Öffnung 42 eingeschraubt, sodass der Außenring 44 des Lagerelements 22 in axialer Richtung relativ zum Gehäuse 12 verstellbar ist.
Axial zwischen dem Lagerelement 22, konkret dem Außenring 44 des Lagerelements 22, und dem Druckstück 20 ist ein in axialer Richtung elastisches Element 50 vorgesehen. Dieses elastische Element 50 ist gemäß den Figuren 1 und 2 ein O-Ring, beispielsweise aus Gummi, welcher die Reibung zwischen den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22 erhöht und für ein vorbestimmtes, gewünschtes axiales Spiel in der Andruckvorrichtung 18 sorgt. Im Fall einer Überlast, das heißt bei einem Anstieg einer Zahnstangenkraft FZs in Richtung der Andruckachse A über die gewünschte Andruckkraft FAndmck hinaus, wird eine gewisse Bewegung des Druckstücks 20 in Richtung zum Lagerelement 22 durch axiale Kompression des elastischen Elements 50 ermöglicht. Dadurch lassen sich Maßtoleranzen bei den Komponenten der Zahnstangenlenkung 10 ausgleichen, ohne dass die Bewegung der Zahnstange 14 bei einem Lenkmanöver spürbar behindert wird.
Gemäß den Figuren 1 und 2 ist das elastische Element 50 in einer Nut 49 der Keilkörper 24 aufgenommen und ragt in axialer Richtung über die Keilkörper 24 hinaus. Als elastisches Element 50 kann alternativ zum O-Ring beispielsweise auch eine Tellerfeder zum Einsatz kommen. Unter Umständen reicht bereits die Nachgiebigkeit innerhalb der Andruckvorrichtung 18 aus, um gewisse Maßtoleranzen im Lenkgetriebe der Zahnstangenlenkung 10 auszugleichen, sodass kein elastisches Element 50 notwendig ist.
Üblicherweise wird der Außenring 44 des Lagerelements 22 bis zu einem festen Anschlag 52 im Gehäuse 12 eingedreht. Dieser Anschlag 52 ist dabei so gewählt, dass das Druckstück 20 und die Keilkörper 24 (bzw. die Keilkörpereinheit 38) in axialer Richtung noch ein gewisses Spiel haben. In einem weiteren Montageschritt werden der Krafteinleitungskörper 23 und das Federelement 40 in die Öffnung 42 des Gehäuses 12 eingeführt und mittels des Innendeckels 46 am Gehäuse 12 befestigt (vgl. Figur 1 ).
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu ein Außengewinde des Innendeckels 46 in ein Innengewinde des Außenrings 44 eingedreht. Beim Einschrauben des Innendeckels 46 wird das Federelement 40 vorgespannt, sodass es den Krafteinleitungskörper 23 axial gegen die Keilkörper 24 beaufschlagt. Beispielsweise wird der Innendeckel 46 in den Außenring 44 eingedreht, bis ein vorbestimmtes Drehmoment erreicht ist, welches einer gewünschten Andruckkraft FAndmck entspricht. Da der Krafteinleitungskörper 23 mit seinem Konusabschnitt 28 an den im
Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 30 der Keilkörper 24 anliegt, werden die Keilkörper 24 infolge der axialen Andruckkraft FAndmck auch durch eine Kraft Fradiai radial nach außen beaufschlagt.
Die Radialkraft Fradiai verschiebt die Keilkörper 24 so weit nach außen, bis sie durch zunehmende Reibkräfte kompensiert wird, wobei hier in erster Linie die Komprimierung des elastischen Elements 50 und die daraus resultierende Erhöhung der Flächenpressung zwischen den Keilkörpern 24 und dem Druckstück 20 zu nennen ist.
Bei Erreichen dieses Kräftegleichgewichts sorgt das elastische Element 50 zwischen den Keilkörpern 24 und dem Außenring 44 vorzugsweise für das obengenannte, vorgegebene Axialspiel, also einen gewissen axialen Abstand zum Ausgleichen von Maßtoleranzen im Lenkgetriebe. Die Figuren 3 und 4 zeigen die Vorrichtung 18 zum Andrücken der Zahnstange 14 an das Ritzel 16 gemäß einer alternativen Ausführungsform, welche jedoch hinsichtlich ihrer prinzipiellen Konstruktion und allgemeinen Funktionsweise im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 entspricht, sodass diesbezüglich explizit auf die obige Beschreibung verwiesen und im Folgenden lediglich auf Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen wird.
So ist der Krafteinleitungskörper 23 in axialer Richtung gesehen nunmehr zwischen den Keilkörpern 24 und dem Druckstück 20 vorgesehen und nicht, wie in der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2, zwischen den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22. Entsprechend stützt sich das Federelement 40 auch nicht mehr am Krafteinleitungskörper 23 und am Lagerelement 22, sondern am Krafteinleitungskörper 23 und am Druckstück 20 ab, sodass der Krafteinleitungskörper 23 axial vom Druckstück 20 weg beaufschlagt ist. Aufgrund dieser konstruktiven Veränderung muss das Federelement 40 nicht mehr im Lagerelement 22 aufgenommen werden, sodass das Lagerelement 22 in axialer Richtung kompakter ausgeführt werden kann.
Aufgrund dieser axial kompakteren Ausführung des Lagerelements 22 ist es bei gleichem Bauraumbedarf möglich, die axiale Abmessung des Druckstücks 20 zu vergrößern, wodurch sich dessen axiale Führung im Gehäuse 12 verbessert. Da zur Axialführung ein zylindrisch geformter Außenmantel des Druckstücks 20 ausreicht, kann die Ausnehmung 48 zur Aufnahme des Federelements 40 problemlos im Innern des Druckstücks 20 ausgebildet werden.
Das elastische Element 50 ist in der Andruckvorrichtung 18 gemäß den Figuren 3 und 4 zwischen dem Druckstück 20 und den Keilkörpern 24 angeordnet, erfüllt jedoch dieselbe Funktion wie in der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2.
Die Figur 4 zeigt einen Montagezustand der Andruckvorrichtung 18, in dem das Druckstück 20, das Federelement 40, der Krafteinleitungskörper 23 und die Keilkörper 24 bzw. die Keilkörpereinheit 38 in der Öffnung 42 des Gehäuses 12 angeordnet sind, wobei zumindest das Druckstück 20 bezogen auf die Andruckachse A in radialer Richtung passgenau, aber axial verschieblich in der Gehäuse- Öffnung 42 aufgenommen ist. Zur radialen Dämpfung des Druckstücks 20 im Gehäuse 12 sind gemäß den Figuren 3 und 4 zwei O-Ringe 53 vorgesehen, die jeweils in einer umlaufenden Nut des Druckstücks 20 aufgenommen sind.
Das Lagerelement 22 ist in dieser Ausführungsform einstückig ausgebildet und wird mittels eines geeigneten Werkzeugs 54 in die Gehäuseöffnung 42 eingedreht. Hierzu ist am Lagerelement 22 ein Außengewinde und an der Öffnung 42 des Gehäuses 12 ein komplementäres Innengewinde vorgesehen. Um bei der Montage zunächst eine radiale Belastung der Keilkörper 24 zu verhindern, weist das Werkzeug 54 einen Dorn 56 auf, der sich durch eine Öffnung 58 im Lagerelement 22 erstreckt und an einem axialen Fortsatz 60 des Krafteinleitungskörpers 23 angreift. Entsprechend kann das Werkzeug 54 mit einem vorbestimmten Drehmoment beaufschlagt werden, um anschließend durch ein gezieltes Zurückdrehen des Lagerelements 22 eine gewünschte Grundposition einzustellen. Nach dem Entfernen des Werkzeugs 54 entfällt der Dorn 56 als Axiallager für den Krafteinleitungskörper 23, sodass sich der Konusabschnitt 28 des Krafteinleitungskörpers 23 an den Keilkörpern 24 abstützt und diese radial nach außen beaufschlagt (Figur 3).
Analog zur Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 wird die Bewegung der Keilkörper 24 radial nach außen durch den bereits oben beschriebenen Anstieg der Reibung begrenzt.
Gemäß den Figuren 3 und 4 weist der Krafteinleitungskörper 23 den Konusabschnitt 28 auf, welcher an den im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 30 der Keilkörper 24 anliegt. Ferner sind zylindrische Fortsätze 60, 62 an den axialen Enden des Krafteinleitungskörpers 23 ausgebildet, welche in das als Schraubenfeder ausgebildete Federelement 40 bzw. in die Öffnung 58 des Lagerelements 22 eingreifen.
Die den Keilkörpern 24 zugewandte Seite des Druckstücks 20 ist gemäß den Figuren 3 und 4 wenigstens abschnittsweise konusförmig ausgebildet. Konkret bildet die Stirnseite 32 des Druckstücks 20 eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes, an der sich die im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen 34 der Keilkörper 24 abstützen. Die Stirnseite 32 weist außerdem die Nut 49 auf, in welcher das elastische Element 50 aufgenommen ist.
Radial von innen nach außen gesehen weiten sich die Keilkörper 24 in axialer Richtung zunächst keilförmig auf und verringern dann ihre axiale Abmessung wieder (siehe Figuren 3 und 4). Außerdem weiten sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper 24 auch in Umfangsrichtung 26 auf und bilden kreissegmentförmige Keilkörper 24 gemäß Figur 2, um die Flächenpressung und damit auch die Materialbeanspruchung zu reduzieren.
Für die einzelnen Bauteile der Andruckvorrichtung 18 wird, abhängig von der auftretenden Beanspruchung sowie dem Fertigungsaufwand ein geeignetes Material gewählt.
So ist das Lagerelement 22 gemäß den Figuren 3 und 4 beispielsweise als Gussteil oder als Dreh-/Frästeil aus Aluminium hergestellt.
Der Krafteinleitungskörper 23 ist hingegen ein gedrehtes Stahlteil, wobei je nach auftretender Belastung und gewünschtem Reibwert auch eine Kunststoffausführung denkbar ist. In jedem Fall lässt sich ein Konuswinkel α des Krafteinleitungskörpers 23 mit geringem Aufwand an die jeweiligen Randbedingungen und Anforderungen anpassen.
Die Keilkörper 24, welche in einigen Ausführungsbeispielen auch eine Keil- körpereinheit 38 bilden können, sind vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. Im einfachsten Fall wird aus dem Kunststoff ein Konusring gedreht, der anschließend radial in Keilsegmente aufgeschnitten wird. Auch bei diesem Drehteil lassen sich der Konuswinkel α und ein Konuswinkel ß einfach an individuelle Vorgaben anpassen. In Figur 5 ist die Vorrichtung 18 zum Andrücken der Zahnstange 14 an das
Ritzel 16 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt, welche hinsichtlich ihrer prinzipiellen Konstruktion und allgemeinen Funktionsweise im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den Figuren 3 und 4 entspricht, sodass bezüglich des funktionalen Grundprinzips auf die obige Beschreibung verwiesen wird und im Folgenden lediglich auf Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen wird. Die beiden Ausführungsformen der Andruckvorrichtung 18 unterscheiden sich lediglich durch die Konstruktion des Druckstücks 20, welches in den Figuren 3 und 4 einteilig ausgeführt ist. Hingegen ist das Druckstück 20 gemäß Figur 5 zweiteilig aufgebaut, aus einem Grundkörper 64 und einem Einsatz 66. Der Einsatz 66 ist axial beweglich im Grundkörper 64 gelagert und stützt sich in axialer Richtung über das elastische Element 50 am Grundkörper 64 ab.
Das elastische Element 50 ist gemäß Figur 5 ein O-Ring, beispielsweise aus Gummi, und sorgt für ein vorbestimmtes, gewünschtes axiales Spiel in der Andruckvorrichtung 18. Im Fall einer Überlast, das heißt bei einem Anstieg einer Zahnstangenkraft FZs in Richtung der Andruckachse A über die gewünschte Andruckkraft FAndmck hinaus, wird eine gewisse Bewegung des Druckstück-Grundkörpers 64 in Richtung zum Lagerelement 22 durch axiale Kompression des elastischen Elements 50 ermöglicht. Dadurch lassen sich Maßtoleranzen bei den Komponenten der Zahnstangenlenkung 10 ausgleichen, ohne dass die Bewegung der Zahnstange 14 bei einem Lenkmanöver spürbar behindert wird.
Somit ist das elastische Element 50 in der Andruckvorrichtung 18 gemäß Figur 5 zwar zwischen dem Einsatz 66 und dem Grundkörper 64 des Druckstücks 20 angeordnet, erfüllt jedoch dieselbe Funktion wie in den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 4. Da das elastische Element 50 gemäß Figur 5 gleichzeitig auch die Funktion der radialen Dämpfung des Druckstücks 20 im Gehäuse 12 übernimmt, kann im Vergleich zur Ausführungsform gemäß den Figuren 3 und 4 auf einen der beiden O-Ringe 53 verzichtet werden.
Die Figur 6 zeigt eine Andruckvorrichtung 18 für Zahnstangenlenkungen 10 gemäß dem Stand der Technik, bei der keine Keilkörper 24 zur Kompensation von Verschleißerscheinungen in der Zahnstangenlenkung 10 vorgesehen sind.
Die Figur 7 zeigt demgegenüber eine erfindungsgemäße Andruckvorrichtung 18 für eine Zahnstangenlenkung 10, bei der mehrere Keilkörper 24 mit den Konuswinkeln α, ß vorgesehen sind. In den Figuren 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorherigen Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Die Ausführungsform gemäß den Figuren 8 und 9 basiert auf der Ausführungsform vom Figur 5, unterscheidet sich von dieser aber dadurch, dass am Lagerelement 22 ein Abstützelement 90 vorgesehen ist. Das Abstützelement 90 ist hier als umlaufender Kragen ausgeführt, der sich vom Lagerelement hin zur Zahnstange 14 erstreckt.
Am Abstützelement 90 kann eine Abstützfläche 92 anliegen, die an der Seite des Einsatzes 66 vorgesehen ist, die dem Lagerelement 22 zugewandt ist. Im Ausgangszustand, der in Figur 8 gezeigt ist, definiert das Abstützelement 90 die maximale Entfernung des Einsatzes 66 von der Zahnstange 14.
Das Abstützelement 90 hat zwei Funktionen. Zunächst kann es bei der Montage dafür verwendet werden, das vorbestimmte elastische Spiel mit geringem Aufwand einzustellen. Zunächst wird das Lagerelement 22 maximal in das Gehäuse 12 eingeschraubt, bis alle Elemente (vom Lagerelement über den Einsatz 66 bis hin zum Drückstück 20) "auf Block" sind. Dann wir das Lagerelement 22 um einen vorbestimmten Winkel zurückgeschraubt, wodurch sich das vorbestimmte elastische Spiel ergibt (siehe dem mit "S" markierten Bereich zwischen dem Einsatz 66 und dem Druckstück 20). Die zweite Funktion des Abstützelements 90 besteht darin, dass es eine Begrenzung für die maximale Rückwärtsbewegung des Einsatzes 66 bei Überlast darstellt. Unabhängig vom Verschleißzustand der Keilkörper 24 und einer eventuellen Ausweichbewegung der Keilkörper 24 nach innen begrenzt das Abstützelement 90, wie weit der Einsatz 66 maximal von der Zahnstange 14 weg in Richtung zum Lagerelement 22 gedrückt werden kann.
Die Figur 10 zeigt schließlich ein Diagramm, bei dem eine axiale Verschiebung s des Druckstücks 20 über einer Zahnstangenkraft FZs dargestellt ist, wobei die Zahnstangenkraft FZs in einen Kraftbereich 68 üblicher Lenkmanöver, einen Übergangsbereich 70 und einen Kraftbereich 72 unterteilt ist, der auf einen Spitzenlastgebrauch der Zahnstangenlenkung 10 hinweist.
Das Verhalten der Andruckvorrichtung 18 gemäß dem Stand der Technik (vgl. Figur 6) ist für eine neuwertige Zahnstangenlenkung 10 in Kurve 74 und für eine Zahnstangenlenkung 10, die bereits einem gewissen Verschleiß unterworfen war, in Kurve 75 wiedergegeben.
Demgegenüber ist das Verhalten einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung 18 mit Konuswinkeln α = 20° und ß = 30° anhand einer Kurve 76 (für eine neuwertige Zahnstangenlenkung 10) und anhand einer Kurve 77 (für eine Zahnstangenlenkung 10 mit gewissem Verschleiß) wiedergegeben.
Schließlich wird das Verhalten einer erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung 18 mit Konuswinkeln von α = 40°, ß = 10° anhand einer Kurve 78 (für eine neuwertige Zahnstangenlenkung 10) und anhand einer Kurve 79 (für eine Zahn- stangenlenkung 10 mit gewissem Verschleiß) wiedergegeben.
In dem Diagramm gemäß Figur 10 wird deutlich, dass sich bei herkömmlichen Zahnstangenlenkungen 10 nach dem Auftreten gewisser Verschleißerscheinungen bereits im Kraftbereich 68 üblicher Lenkmanöver eine unerwünscht große Verschiebung des Druckstücks 20 ergibt, was sich für den Fahrer als unerwünschte Veränderung des Lenkverhaltens wie z.B. Lenkungsspiel oder Klappergeräusch der Zahnstangenlenkung 10 äußert (vgl. Kurven 74, 75).
Durch die erfindungsgemäße Andruckvorrichtung 18 treten unerwünscht große Verschiebungen des Druckstücks 20 erst im Kraftbereich 72 auf, der bereits auf einen Spitzenlastgebrauch der Zahnstangenlenkung 10 hinweist (vgl. Kurven 76, 77). Die Konuswinkel α, ß sind dabei so gewählt, dass im Kraftbereich 72 eine radiale Bewegung der Keilkörper 24 möglich ist und somit ein Blockieren der Zahnstange 14 oder eine unerwünscht hohe Zahnstangenreibung zuverlässig verhindert wird. Als Kurve 96 ist die Verschiebung für die Ausführungsform gemäß den Figuren 8 und 9 dargestellt. Es ist zu sehen, dass aufgrund des zusätzlichen Abstützelements 90 das maximal auftretenden Spiel auf einen kleineren Wert, gegenüber der Kurve 77, begrenzt ist.
Alternativ lassen sich bei geeigneter Abstimmung der Konuswinkel a, ß, der jeweils gewünschten Andruckkraft FAndmck und der jeweiligen Reibung zwischen dem Krafteinleitungskörper 23 und den Keilkörpern 24, den Keilkörpern 24 und dem Druckstück 20 sowie den Keilkörpern 24 und dem Lagerelement 22, selbst im Kraftbereich 72 (Spitzenlastgebrauch der Zahnstangenlenkung 10) große Druckstückverschiebungen verhindern (vgl. Kurven 78, 79). In einem solchen Fall bleibt das axiale Spiel des Druckstücks 20 auf einem konstant niedrigen Niveau und ist zudem weitgehend unbeeinflusst von Verschleißerscheinungen in der Zahnstangenlenkung 10. In vorteilhafter Weise nimmt der Fahrer dadurch über nahezu alle auf die Zahnstangenlenkung 10 einwirkenden Lastfälle (vgl. weitgehend konstanten Verlauf der Kurven 78, 79 zwischen 600 N und 7000 N) sowie über die gesamte Nutzungsdauer der Andruckvorrichtung 18 (vgl. weitgehend identischen Verlauf der Kurven 78 und 79) keine unerwünschte Veränderung im Lenkverhalten wahr.
Der in der Zahnstangenlenkung 10, beispielsweise in einer Gleitschicht 80 des Druckstücks 20 auftretende Verschleiß wird in der erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung 18 durch eine Verschiebung der Keilkörper 24 radial nach außen kompensiert. Ein gewisses, durchaus gewünschtes Maß s an axialer Verschiebung des Druckstücks 20 wird durch das elastische Element 50 oder eine anderweitig vorhandene Elastizität im Bereich der Andruckvorrichtung 18 sichergestellt, und somit können die im Verzahnungsbereich auftretenden Maßtoleranzen designtechnisch aufgefangen werden.

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,
einem axial beaufschlagten Krafteinleitungskörper (23), sowie
Keilkörpern (24), welche sich jeweils am Druckstück (20), am Lagerelement (22) und am Krafteinleitungskörper (23) abstützen,
wobei wenigstens drei in Umfangsrichtung (26) gleichmäßig verteilte Keilkörper (24) vorgesehen sind, und
wobei der Krafteinleitungskörper (23) die Keilkörper (24) radial nach außen und das Druckstück (20) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Keil- körper (24) aus Kunststoff hergestellt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) relativ zueinander bewegbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Umfangsrichtung (26) benachbarte Keilkörper (24) jeweils durch ein flexibles Kopplungselement (36) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilkörper (24) und die Kopplungselemente (36) 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 (50), insbesondere eine Tellerfeder oder ein O-Ring vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafteinleitungskörper (23) einen Konusabschnitt (28) aufweist, mit dem er sich an im Wesentlichen komplementär ausgebildeten Kontaktflächen (30) der Keilkörper (24) abstützt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Keilkörpern (24) zugewandte Stirnseite (32) des Druckstücks (20) einen konusförmigen Abschnitt aufweist, an dem sich im Wesentlichen komplementär ausgebildete Kontaktflächen (34) der Keilkörper (24) abstützen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (40) vorgesehen ist, welches sich am Krafteinleitungskörper (23) und am Druckstück (20) abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper (23) axial vom Druckstück (20) weg beaufschlagt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (40) vorgesehen ist, welches sich am Krafteinleitungskörper (23) und am Lagerelement (22) abstützt, sodass der Krafteinleitungskörper (23) axial vom Lagerelement (22) weg beaufschlagt ist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich, radial von innen nach außen gesehen, die Keilkörper (24) in axialer Richtung keilförmig aufweiten.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstützelement (90) vorgesehen ist, das eine Rückbewegung des Druckstücks begrenzt.
13. 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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