WO2017059976A1 - Lenkgetriebe für ein fahrzeug - Google Patents

Lenkgetriebe für ein fahrzeug Download PDF

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Abstract

Ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkritzel und eine Lenkzahnstange, wobei die Verzahnung der Lenkzahnstange einen konstanten Schrägungswinkel und die Verzahnung des Lenkritzels einen sich ändernden Schrägungswinkel aufweist.

Description

Titel der Erfindung
Lenkgetriebe für ein Fahrzeug Beschreibungsteil
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .
In der EP 1 878 636 A2 wird ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug beschrieben, das ein sich mit der Lenkraddrehung änderndes Übersetzungsverhältnis aufweist. Die
Lenkzahnstange des Lenkgetriebes ist mit einer Schrägverzahnung mit einem sich ändernden Schrägungswinkel versehen, wohingegen die Verzahnungsgeometrie des Lenkritzels, die ebenfalls als Schrägverzahnung ausgeführt ist, über den Umfang einen konstanten Schrägungswinkel aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen das Übersetzungsverhältnis in Lenkgetrieben für Fahrzeuge variabel einzustellen, wobei die Verzahnung einer Lenkzahnstange des Lenkgetriebes in einfacher Weise hergestellt werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das Lenkgetriebe weist einen variablen Übersetzungsverlauf auf, bei dem
beispielsweise um die Nulllage des Lenksystems Lenkwinkeländerungen, die der Fahrer über das Lenkrad vorgibt, zu kleineren Radlenkwinkeländerungen an den lenkbaren Rädern führen als bei größeren Auslenkungen aus der Nulllage.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung weisen sowohl die Lenkzahnstange als auch das mit der Lenkzahnstange kämmende Lenkritzel, das mit der Lenkwelle des Lenksystems gekoppelt ist, eine Schrägverzahnung auf. Die Verzahnung der Lenkzahnstange besitzt einen dem variablen Übersetzungsverlauf entsprechenden Verlauf von Teilung und Flankenwinkel entlang seiner Achse, jedoch einen konstanten Schrägungswinkel, wohingegen die Verzahnung des Lenkritzels einen sich über den Umfang ändernden Schrägungswinkel aufweist. Durch diese Kombination von teilungsvariabler
Lenkzahnstange mit konstantem Schrägungswinkel und Lenkritzel mit sich änderndem Schrägungswinkel lassen sich die gewünschten variablen, sich mit der Lenkraddrehung ändernden Übersetzungsverhältnisse realisieren. Der Schrägungswinkel des Lenkritzels kennzeichnet die Abweichung der Zahnrichtung - also der Zahnflanken - von der Senkrechten zur Mittelebene des Lenkritzels, wobei die Senkrechte mit der Drehachse des Lenkritzels zusammenfällt. Der Schrägungswinkel der Lenkzahnstange
kennzeichnet die Abweichung der Zahnrichtung bzw. Zahnflanken von der Senkrechten zur Längsachse der Lenkzahnstange.
Die Lenkzahnstange mit konstantem Schrägungswinkel der Verzahnung lässt sich in einfacher weise herstellen, insbesondere mithilfe eines spanenden Verfahrens, bei dem das Werkzeug aufgrund des gleichbleibenden Schrägungswinkels nur in eine Richtung durch die Lenkzahnstange fährt. Diese stellt eine erhebliche Vereinfachung bei der Herstellung der Lenkzahnstange dar. Beispielsweise kann die Verzahnung auf der Lenkzahnstange mittels Räumen hergestellt werden.
Die Verzahnverfahren Wälzstoßen und Wälzschälen sind grundsätzlich für die
Herstellung der Schrägverzahnung mit sich änderndem Schrägungswinkel mit nur einem Werkzeug geeignet.
Die Verzahnung des Lenkritzels weist, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, mindestens zwei Schrägungswinkelabschnitte mit unterschiedlichen Schrägungswinkeln auf. Innerhalb jedes Schrägungswinkelabschnittes ist vorteilhafterweise der
Schrägungswinkel konstant. Der Übergang zwischen den Schrägungswinkelabschnitten erfolgt vorzugsweise kontinuierlich und ohne Sprünge, so dass zwischen den
Schrägungswinkelabschnitten Übergangsabschnitte vorliegen, deren Zähne
Schrägungswinkel aufweisen, die zwischen dem Schrägungswinkel des ersten und dem Schrägungswinkel des zweiten Abschnittes liegen. Es kann auch innerhalb eines Zahnes dieser Übergangsbereich in axialer Richtung eine Schrägungswinkeländerung besitzen, so dass dieser Zahn dann eine gebogene Form aufweist. Die
Schrägungswinkel in den Schrägungswinkelabschnitten können sich um einen Mindestbetrag unterscheiden, der beispielsweise bei 5° liegt. Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass der Schrägungswinkelunterschied zwischen den
Schrägungswinkelabschnitten einen Maximalbetrag nicht überschreitet, der
beispielsweise bei 45° liegt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Lenkritzel in einem
Getriebegehäuse des Lenkgetriebes gelagert und kann ausschließlich um seine
Drehachse rotieren. Darüber hinaus bestehen keine Verstellmöglichkeiten bezüglich des Lenkritzels.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung, der sich ebenfalls auf ein Lenkgetriebe für ein Fahrzeug mit einem sich mit der Lenkraddrehung ändernden
Übersetzungsverhältnis bezieht, weisen ebenfalls die Verzahnungen der
Lenkzahnstange und des Lenkritzels jeweils eine Schrägverzahnung mit einem
Schrägungswinkel auf, wobei in bevorzugter Ausführung die Verzahnungen sowohl des Lenkritzels als auch der Lenkzahnstange mit einem konstanten Schrägungswinkel versehen sind. Das sich ändernde Übersetzungsverhältnis wird dadurch ermöglicht, dass das Lenkritzel im Getriebegehäuse zusätzlich zu seiner Rotationsmöglichkeit um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, die winklig zur Drehachse des Lenkritzels steht. Es ist somit zwar möglich, aber nicht erforderlich, am Lenkritzel oder an der Lenkzahnstange eine Verzahnung mit einem sich ändernden Schrägungswinkel vorzusehen. Das sich ändernde Übersetzungsverhältnis wird über die Schwenkbarkeit des Lenkritzels ermöglicht.
Die Schwenkachse steht vorzugsweise orthogonal zur Drehachse des Lenkritzels, wobei auch Schwenkachsen möglich sind, die in einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° zur Drehachse stehen. Es ist vorteilhaft, dass die Schwenkbewegung des Lenkritzels um die Schwenkachse als Funktion der Rotationsbewegung des Lenkritzels um seine Drehachse durchgeführt wird. Hierbei kommt insbesondere eine
kinematische, zwangsgeführte Schwenkbewegung als Funktion der Rotationsbewegung des Lenkritzels um seine Drehachse in Betracht, so dass sichergestellt ist, dass jedem Drehwinkel des Lenkritzels genau ein Gehäusewinkel des Lenkritzels zugeordnet ist. Das Lenkritzel kann gegebenenfalls einen oder mehrere Schrägungswinkelabschnitte aufweisen, in denen der Schrägungswinkel gleich null ist, so dass die Zahnflanken der Zähne parallel zur Drehachse verlaufen. Das Lenkritzel weist jedoch in jedem Fall mindestens einen Schrägungswinkelabschnitt auf, in welchem die Zähne einen
Schrägungswinkel ungleich null besitzen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,
Fig. 2 eine schematische Darstellung in Draufsicht auf ein Lenkgetriebe mit Lenkritzel und Lenkzahnstange, wobei das Lenkritzel eine Verzahnung mit
unterschiedlichen Schrägungswinkeln aufweist,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lenkgetriebes mit Lenkritzel und
Lenkzahnstange in Draufsicht, wobei Lenkritzel und Lenkzahnstange jeweils einen konstanten Schrägungswinkel aufweisen, jedoch das Lenkritzel
schwenkbar gelagert ist,
Fig. 4 das Lenkgetriebe mit Lenkritzel und Lenkzahnstange gemäß Fig. 3 mit dem
Lenkritzel in einem verschwenkten Zustand,
Fig. 5 eine Ansicht einer Lenkzahnstange, deren Seite, an der sich die Verzahnung befindet, gekrümmt ausgebildet ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in Fig. 1 dargestellte Lenksystem 1 für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -welle 3, ein Lenk- bzw. Getriebegehäuse 4 und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Das Getriebegehäuse 4 nimmt ein Lenkgetriebe 8 mit einem Lenkritzel und der Lenkzahnstange 5 auf, wobei das Lenkritzel drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist und mit der Lenkzahnstange 5 kämmt. Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkwelle 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel 5L vor, der im Lenkgetriebe 8 im Getriebegehäuse 4 auf die
Lenkzahnstange 5 des Lenkgestänges übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δν einstellt.
Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments ist ein elektrischer Servomotor 7 vorgesehen, über den ein Servomoment in das Lenkgetriebe 8
eingespeist werden kann. Anstelle eines elektrischen Servomotors kann auch eine hydraulische Unterstützungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine
Hydraulikpumpe, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird und ein hydraulisches Lenksystem speist.
In Fig. 2 ist das Lenkgetriebe 8 mit der Lenkzahnstange 5 und dem eingreifenden Lenkritzel 9 dargestellt. Die Lenkzahnstange 5 weist eine Verzahnung mit einem konstanten Schrägungswinkel größer als 0° auf, so dass die Zahnflanken der Zähne gegenüber einer Orthogonalen zur Längsachse 5a der Lenkzahnstange 5 einen Winkel größer als 0° einnehmen. Die Verzahnung der Lenkzahnstange 5 weist einen konstanten Schrägungswinkel ß2 auf.
Das Lenkritzel 9 besitzt verschiedene Schrägungswinkelabschnitte 10 und 1 1 , wobei innerhalb jedes Schrägungswinkelabschnittes 10, 1 1 der Schrägungswinkel konstant ist, sich jedoch die Schrägungswinkel zwischen den Schrägungswinkelabschnitten unterscheiden. Dargestellt ist der Schrägungswinkel ßi für den
Schrägungswinkelabschnitt 10, wobei der Schrägungswinkel ßi gegenüber der
Rotations- bzw. Drehachse 9a definiert ist, um die das Lenkritzel 9 rotieren kann. Der Schrägungswinkel der Verzahnung im weiteren Schrägungswinkelabschnitt 1 1 ist signifikant kleiner als der Schrägungswinkel ßi der sich beidseitig anschließenden Schrägungswinkelabschnitte 10 und kann gegebenenfalls 0° betragen. Der
Schrägungswinkelabschnitt 1 1 befindet sich in der Null- bzw. Ausgangs- oder Ruhelage der Lenkung, an die sich die Schrägungswinkelabschnitte 10 mit dem größeren
Schrägungswinkel ßi beidseitig anschließen. Der Übergang zwischen den Schrägungswinkelabschnitten 10, 1 1 erfolgt kontinuierlich und ohne Sprung. Dementsprechend befindet sich zwischen dem ersten
Schrägungswinkelabschnitt 10 mit dem Schrägungswinkel ßi und dem zweiten
Schrägungswinkelabschnitt 1 1 mit einem anderen Schrägungswinkel ein
Übergangsbereich, in dem sich der Schrägungswinkel auch innerhalb eines Zahnes ändert.
Die Schrägungswinkel ßi im Schrägungswinkelabschnitt 10 des Lenkritzels 9 und ß2 der Lenkzahnstange 5 können gleich sein oder sich gegebenenfalls voneinander
unterscheiden.
Lenkzahnstange 5 und Lenkritzel 9 stehen winklig zueinander, so dass die Längsachse 5a der Lenkzahnstange 5 und die Drehachse 9a des Lenkritzels 9 einen von 90° abweichenden Winkel zueinander einnehmen. Der Winkel liegt beispielsweise in einem Winkelbereich zwischen 60° und kleiner 90°.
Aufgrund des sich ändernden Schräglaufwinkels in der Verzahnung des Lenkritzels 9 wird eine variable Lenkübersetzung beim Abrollen des Lenkritzels 9 auf der Verzahnung der Lenkzahnstange 5 mit einer entsprechenden Variabilität von Teilung und
Flankenwinkel erreicht.
In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lenkgetriebes 8 mit einer Lenkzahnstange 5 und einem Lenkritzel 9 dargestellt. Die Lenkzahnstange 5 weist eine Schrägverzahnung mit variabler Teilung und Flankenwinkel, aber einem
Schrägungswinkel ß2 größer als 0° auf. Das Lenkritzel 9 weist nur einen einzigen Schrägungswinkelabschnitt 10 mit einem einheitlichen Schrägungswinkel ßi auf, der größer als 0° ist. Um dem variablen Übersetzungsverhältnis kinematisch exakt zu entsprechen, ist das Lenkritzel 9 zusätzlich zu seiner Rotationsmöglichkeit um die Drehachse 9a um eine Schwenkachse 12 schwenkbar im Lenk- bzw. Getriebegehäuse gelagert. Die Schwenkachse 12 liegt in einer Mittelebene des Lenkritzels 9 und steht orthogonal zur Drehachse 9a. Es sind jedoch auch Schwenkachsen möglich, die unter einem Winkel ungleich 90° zur Drehachse stehen. Des Weiteren sind auch Schwenkachsen möglich, die in einer zur Mittelebene orthogonal versetzten parallelen Ebene liegen.
Wie einem Vergleich der Fig. 3 und 4 zu entnehmen, ändert sich beim Abrollen des Lenkritzels 9 auf der Lenkzahnstange 5 der Gehäusewinkel γ, unter dem das Lenkritzel 9 gegenüber dem Getriebegehäuse positioniert ist. Das Verschwenken des Lenkritzels 9 um die Schwenkachse 12 und damit einhergehend die Änderung des
Gehäusewinkels γ erfolgt in einer kinematisch zwangsgeführten Weise in Abhängigkeit der Rotationsbewegung des Lenkritzels 9 um die Drehachse 9a. Hierdurch ist sichergestellt, dass jedem Drehwinkel des Lenkritzels 9 um die Drehachse 9a genau ein Gehäusewinkel γ zugeordnet ist.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, gemäß der die Verzahnung 13 der Lenkzahnstange 5 nicht in einer Ebene liegt, sondern auf einer gekrümmten Kurve 14, wodurch ebenfalls das Übersetzungsverhältnis beim Abrollen des Lenkritzels auf der Lenkzahnstange beeinflusst werden kann. Alternativ zu der gekrümmten Kurve kann die Verzahnung 13 auch in einer Ebene auf der Lenkzahnstange 5 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
1 Lenksystem
2 Lenkrad
3 Lenkwelle
4 Getriebegehäuse
5 Lenkzahnstange
5a Längsachse
6 Vorderrad
7 elektrischer Servomotor
8 Lenkgetriebe
9 Lenkritzel
9a Drehachse
10 Schrägungswinkelabschnitt
1 1 Schrägungswinkelabschnitt
12 Schwenkachse
13 Verzahnung
14 gekrümmte Kurve

Claims

Ansprüche
1 . Lenkgetriebe für ein Fahrzeug mit einem sich mit der Lenkraddrehung ändernden Übersetzungsverhältnis, bei dem ein Lenkritzel (9) mit einer Lenkzahnstange (5) kämmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung der Lenkzahnstange (5) einen konstanten Schrägungswinkel und die Verzahnung des Lenkritzels einen sich
ändernden Schrägungswinkel aufweist.
2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass Verzahnung des Lenkritzels (9) mindestens zwei Schrägungswinkelabschnitte (10, 1 1 ) mit unterschiedlichen Schrägungswinkeln aufweist, wobei innerhalb jedes
Schrägungswinkelabschnitts (10, 1 1 ) der Schrägungswinkel konstant ist.
3. Lenkgetriebe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Schrägungswinkel in den Schrägungswinkelabschnitten (10, 1 1 ) um mindestens 10° unterscheiden.
4. Lenkgetriebe nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Schrägungswinkel in den Schrägungswinkelabschnitten (10, 1 1 ) um maximal 45° unterscheiden.
5. Lenkgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lenkritzel (9) in einem Getriebegehäuse (4) ausschließlich um seine
Drehachse (9a) gelagert ist.
6. Lenkgetriebe für ein Fahrzeug mit einem sich mit der Lenkraddrehung ändernden Übersetzungsverhältnis, bei dem ein Lenkritzel (9) mit einer Lenkzahnstange (5) kämmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen der Lenkzahnstange (5) einen konstanten Schrägungswinkel aufweist und dass das Lenkritzel (9) in einem Getriebegehäuse (4) um eine winklig zur Drehachse (9a) stehende Schwenkachse (12) schwenkbar gelagert ist.
7. Lenkgetriebe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwenkachse (12) orthogonal zur Drehachse (9a) des Lenkritzels (9) steht.
8. Lenkgetriebe nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwenkbewegung des Lenkritzels (9) um die Schwenkachse (12) als
Funktion der Rotationsbewegung des Lenkritzels (9) um die Drehachse (9a)
durchführbar ist.
9. Lenkgetriebe nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwenkbewegung des Lenkritzels (9) um die Schwenkachse (12)
kinematisch zwangsgeführt in Abhängigkeit der Rotationsbewegung des Lenkritzels (9) um die Drehachse (9a) durchführbar ist.
10. Lenkgetriebe nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verzahnung des Lenkritzels (9) einen konstanten Schrägungswinkel aufweist.
1 1 . Lenkgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seite der Lenkzahnstange (5), auf der sich die Verzahnung (13) befindet, gekrümmt ausgebildet ist.
12. Lenksystem mit einem Lenkgetriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 .
13. Verfahren zur Herstellung eines Lenkritzels (9) in einem Lenkgetriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (13) des Lenkritzels (9) im Wälzstoß- oder Wälzschälverfahren hergestellt wird.
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