Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel, insbesondere für eine Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeugs, mit einem in Richtung der Zahnstange belastbaren Druckstück, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Stand der Technik

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 10 2005 005 400 AI bekannt.

Eine weitere solche Vorrichtung mit einem Druckstück beschreibt beispielsweise die DE 10 2008 054 782 B4.

Mittels dieser Vorrichtungen werden fertigungsbedingte Verzahnungstoleranzen zwischen der Zahnstange und dem Lenkritzel ausgeglichen und es ist möglich, durch die Einstellung des Spiels zwischen der Zahnstange und dem Lenkritzel gewünschte Eigenschaften der mit diesen Vorrichtungen ausgestatteten Zahnstangenlenkung abzustimmen. Dabei werden auch die Abstützung von Spurstangenkräften sowie von radialen und axialen Verzahnungstrennkräften zwischen der Zahnstange und dem Lenkritzel beachtet.

Hierzu ist bei den bekannten Lösungen das Druckstück als rundes Gleitlagerelement ausgebildet, das in einer Gehäusebohrung auf Höhe des Verzahnungseingriffs zwischen der Zahnstange und dem Lenkritzel angeordnet ist. Über eine Stellschraube kann in Verbindung mit einer Druckfeder das axial verschiebbare Druckstück bei der Montage in die gewünschte Lage gebracht und vorgespannt werden, so dass ein möglichst geräusch- und spielfreier Verzahnungseingriff und eine möglichst spielfreie Gleitlagerung von axialen Hubbewegungen der Zahnstange ermöglicht werden. Auf diese Weise wird das sogenannte Druckstückspiel, also die in axialer Richtung mögliche Relativbewegung des angefederten Druckstücks gegenüber dem Lenkgehäuse, eingestellt. Die richtige Einstellung des Druckstückspiels ist für das Lenkverhalten eines Kraftfahrzeugs es- senziell, da es das Geräusch- und Reibungsverhalten des Zahnstangenlenkge- triebes beeinflusst. Mittels einer im Druckstück angeordneten Tellerfeder können mit Hilfe eines konstruktiv vorgegebenen Grundspiels Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Außerdem ist auf diese Weise ein vereinfachter Einstellprozess möglich.

Die bekannten Lösungen weisen meist eine Nachstelleinrichtung auf, mit der das Druckstück bei Verschleiß, beispielsweise zwischen der Zahnstange und dem Ritzel, selbsttätig nachgestellt wird. Dadurch soll ein sich durch Verschleiß ergebendes, zunehmendes axiales Druckstückspiel und die daraus entstehende Geräuschentwicklung vermieden werden.

Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch die Tatsache, dass das Druckstückspiel in einem sich radial von dem Gehäuse weg erstreckenden Gehäusedom aufgenommen werden muss, wodurch sich erhebliche Bauraumprobleme ergeben können. Auch der Einstellprozess bei der Montage des Druckstücks ist sehr aufwändig und damit teuer. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen ist die sich bei einer Zunahme des Druckstückspiels durch Verschleiß ergebende Geräuschentwicklung.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Lenkritzel zu schaffen, die eine geringere Baugröße und eine einfachere Montage ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Durch die erfindungsgemäßen Keilelemente kann eine in axialer Richtung wirkende Kraft in eine in radialer Richtung wirkende Kraft umgewandelt werden. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen kann die auf die Zahnstange wirkende Kraft somit in axialer Richtung aufgebracht werden, was einen wesentlich vereinfach- ten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht.

Des Weiteren gewährleistet die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Verschiebung der Keilelemente relativ zueinander mittels der Nachstelleinrichtung sowohl eine Selbsteinstellung des Druckstücks als auch die automatische Nach- Stellung desselben zur Verschleißkompensation. Dadurch kann der komplexe und zeitaufwändige Einstellprozess des Lenkspiels während der Montage entfallen. Die erfindungsgemäße Lösung stellt dabei sicher, dass das durch Verschleiß zwischen der Zahnstange und dem Ritzel entstehende Spiel ausgeglichen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung wird außerdem im Vergleich zu bekannten Lösungen eine geringere Baugröße der gesamten Vorrichtung erreicht. Dies ermöglicht nicht nur die Unterbringung anderer Bauteile in diesem frei gewordenen Bauraum, sondern führt auch zu geringeren Kosten aufgrund des Entfalls von Material und erforderlichen Bearbeitungen.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Keilflächen einen eine Selbsthemmung derselben erzeugenden Winkel aufweisen. Dadurch wird eine Bewegung der Keilelemente entgegen der vorgesehenen Richtung verhindert, sodass sich die beiden Keilelemente nicht so gegeneinander verschieben können, dass die Belastung auf die Zahnstange verringert wird.

Eine sehr einfache Möglichkeit zur Aufbringung einer Kraft in axialer Richtung auf das Druckstück ergibt sich, wenn auf ein von der Zahnstange abgewandtes, obe- res Keilelement eine zu der Nachstelleinrichtung gehörende Blattfeder wirkt.

Wenn dabei die Blattfeder und das obere Keilelement an ihren einander zugewandten Flächen so ausgebildet sind, dass die Blattfeder an wenigstens zwei voneinander entfernten Punkten an dem oberen Keilelement anliegt, so wird eine sichere Kraftübertragung von der Blattfeder auf das obere Keilelement gewährleistet.

Um eine sichere Funktion der Blattfeder zu gewährleisten, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die Blattfeder in einem mittleren Bereich eine Stufe aufweist, mit der sich die Blattfeder an einem die Zahnstange aufnehmenden Gehäuse abstützt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass das obere Keilelement einen sich in Richtung der Stufe erstreckenden Vorsprung aufweist, wobei zwischen der Stufe der Blattfeder und dem oberen Keilelement ein Spalt vorhanden ist. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Anpassung der Blattfeder an das obere Keilelement.

Um die Montage der Keilelemente zu vereinfachen, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die beiden Keilelemente als Ringsegment ausgebildet sind und über einen Winkel von maximal 180° verlaufen.

Eine einfache Ausführungsform der Nachstelleinrichtung ergibt sich, wenn ein von der Zahnstange abgewandtes, oberes Keilelement über wenigstens ein zu der Nachstelleinrichtung gehörendes Federelement an einem Grundkörper abgestützt ist.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Federelement, der Grundkörper und das Druckstück in axialer Richtung in dem die Zahnstange umschließenden Gehäuse montiert sind. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr einfache Montage und ein geringer Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines Teils der Vorrichtung aus Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Vorderansicht der Vorrichtung aus Fig. 2; und

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1, die zum Andrücken einer Zahnstange 2 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeugs an ein mit der Zahnstange 2 in Eingriff stehendes Ritzel 3 dient. Die Zahnstange 2 ist in an sich bekannter Weise in einem Gehäuse 4 in der mit "x" bezeichneten Richtung axial verschieblich aufgenommen.

Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren ein in Richtung der Zahnstange 2, also in der mit "z" bezeichneten radialen Richtung, belastbares Druckstück 5 und eine auf das Druckstück 5 wirkende Nachstelleinrichtung 6 auf. Die Nachstelleinrichtung 6 dient zum Aufbringen der Belastung auf das Druckstück 5, um auf diese Weise letztlich die Zahnstange 2 gegen das Ritzel 3 zu drücken, um das Spiel zwischen der Zahnstange 2 und dem Ritzel 3 einzustellen. Durch die in radialer Richtung z von dem Druckstück 5 auf die Zahnstange 2 ausgeübte Kraft kann das Spiel zwischen der Zahnstange 2 und dem Ritzel 3 eingestellt werden.

Der durch die Einstellung des Druckstücks 5 eingestellte Verzahnungseingriff zwischen der Zahnstange 2 und dem Ritzel 3, der auch eine spielfreie Gleitlagerung von axialen Bewegungen der Zahnstange 2 ermöglichen soll, wird als Druckstückspiel bezeichnet, das die axiale Relativbewegung des angefederten Druckstücks 5 in Bezug auf das Gehäuse 4 beschreibt.

Das Druckstück 5 ist im vorliegenden Fall zweiteilig ausgeführt und weist zwei gegeneinander verschiebliche Keilelemente 7 und 8 auf. Die beiden Keilelemente 7 und 8 sind jeweils als Ringsegment ausgebildet und verlaufen über einen Winkel von maximal 180°, im vorliegenden Fall über einen Winkel von ca. 160°. Die beiden Keilelemente 7 und 8 weisen jeweilige, einander zugewandte und mitei- nander korrespondierende Keilflächen 7a und 8a auf. Eines dieser Keilelemente, das nachfolgend als das obere Keilelement 7 bezeichnet wird, stützt sich über wenigstens ein zu der Nachstelleinrichtung 6 gehörendes Federelement 9 an einem Grundkörper 10 ab. Mit anderen Worten, die von dem wenigstens einen Federelement 9 ausgeübte Kraft wirkt in axialer Richtung x auf das obere Keilelement 7. Das andere, nachfolgend als unteres Keilelement 8 bezeichnete Keilelement steht einerseits mit dem oberen Keilelement 7 und andererseits mit der Zahnstange 2 in Kontakt. Das untere Keilelement 8 des Druckstücks 5 übernimmt dabei auch die Funktion der Lagerung und Führung der Zahnstange 2.

Im vorliegenden Fall sind zwei Federelemente 9 vorgesehen, es könnte jedoch auch eine größere oder gegebenenfalls kleinere Anzahl an Federelementen 9 vorgesehen sein. Die Federelemente 9 sind als gewendelte Druckfedern ausgebildet. Es wäre jedoch auch denkbar, andere Arten von Federn einzusetzen, um eine Kraft in axialer Richtung x auf das obere Keilelement 7 des Druckstücks 5 aufzubringen.

Wie nachfolgend beschrieben, korrespondieren die Keilflächen 7a und 8a der beiden Keilelemente 7 und 8 derart miteinander, dass eine Verschiebung eines der Keilelemente 7,8 in der axialen Belastungsrichtung x eine radiale Belastung der Zahnstange 2 bewirkt. Durch die beiden Keilelemente 7 und 8 mit deren Keilflächen 7a und 8a wird dabei eine permanente, definierte Kraft in Richtung der Verbindung zwischen der Zahnstange 2 und dem Ritzel 3 aufgebracht. Die Kraft in der axialen Richtung x wird dabei durch die Federelemente 9 aufgebracht. Um die auf das obere Keilelement 7 aufgebrachte Kraft auf das untere Keilelement 8 übertragen zu können, ist im vorliegenden Fall die Keilfläche 7a des oberen Keilelements 7 entgegen der Pfeilrichtung x geneigt, d. h. das obere Keilelement 7 weist an der dem Grundkörper 10 zugewandten Seite eine größere Dicke auf als an der dem Grundkörper 10 abgewandten Seite. Im Gegensatz dazu ist die Keilfläche 8a des unteren Keilelements 8 in Pfeilrichtung x geneigt, d. h. das untere Keilelement 8 weist an der dem Grundkörper 10 abgewandten Seite eine größere Dicke auf als an der dem Grundkörper 10 zugewandten Seite.

Hierbei sind die Keilflächen 7a und 8a jeweils mit einem solchen Winkel ausge- führt, der eine Selbsthemmung zwischen den beiden Keilflächen 7a und 8a er- zeugt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Winkel von weniger als 7°. Selbstverständlich hängt die Größe dieses Winkels von der Reibung zwischen den Keilelementen 7 und 8 ab.

Um eine in radialer Richtung z wirkende Kraft auf die Zahnstange 2 aufbringen zu können, weist die Nachstelleinrichtung 6 des Weiteren eine Blattfeder 11 auf, die auf das obere Keilelement 7 wirkt. Die Blattfeder 11 und das obere Keilelement 7 sind an ihren einander zugewandten Flächen so ausgebildet, dass die Blattfeder 11 an wenigstens zwei voneinander entfernten Punkten an dem oberen Keilelement 7 anliegt. In den Figuren 4 und 5 ist sehr gut erkennbar, dass die Blattfeder 11 jeweils im äußeren Bereich des oberen Keilelements 7 anliegt. Dadurch wird eine geeignete Krafteinleitung in das obere Keilelement 7 erreicht, sodass dieses in radialer Richtung z auf die Zahnstange 2 gepresst wird. Die beiden Keilflächen 7a und 8a der Keilelemente 7 und 8 übernehmen somit in Kombination mit den Federelementen 9 und der Blattfeder 11 die Systemvorspannung der Vorrichtung 1.

Die sich an dem Grundkörper 10 abstützenden Federelemente 9 bewegen das obere Keilelement 7 in der Axialrichtung x und bauen somit über die Keilflächen 7a und 8a eine in der Radialrichtung z wirkende Vorspannkraft auf. Diese Vorspannkraft ist eine definierte Kraft in der Richtung z, die die Zahnstange 2 und das Ritzel 3 mit geringem Spiel in einem Verzahnungseingriff hält. Dadurch stellt sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den Federelementen 9, der Blattfeder 11 und der Zahnstange 2 ein.

Bei während des Betriebs der Lenkung auftretenden Relativbewegungen zwischen der Zahnstange 2 und dem Ritzel 3 und dadurch entstehender Reibung an den Kontaktstellen ergibt sich ein Verschleiß, der auch die Bauteile der Vorrichtung 1 mit der Nachstelleinrichtung 6 betrifft. Zur Kompensation dieses Verschleißes wird die beschriebene Vorspannkraft genutzt, mit der das obere Keilelement 7 in axialer Richtung x gedrückt und das untere Keilelement 8 in dauerhaftem Kontakt mit der Zahnstange 2 gehalten wird.

Hierbei bewirken die Federelemente 9 eine Verschiebung des oberen Keilele- ments 7 in Pfeilrichtung x, der jedoch das untere Keilelement 8 entgegensteht. Eine tatsächliche Verschiebung des oberen Keilelements 7 ergibt sich erst bei einem Verschleiß der Zahnstange 2 bzw. des Ritzels 3, da in diesem Fall das untere Keilelement 8 in radialer Richtung z verschoben werden kann. Die Federelemente 9 gewährleisten demnach die Verschleißkompensation der Vorrich- tung 1, wohingegen die Blattfeder 11 unabhängig von der Position der Keilelemente 7 und 8 eine dauerhafte Kraft auf das obere Keilelement 7 und somit auch auf das untere Keilelement 8 und damit auch auf die Zahnstange 2 aufbringt.

Aufgrund der oben beschriebenen Selbsthemmung der beiden Keilelemente 7 und 8 wird in Situationen, bei denen in der dem Pfeil z entgegengesetzten Richtung hohe Kräfte auftreten, eine Vergrößerung des freien Spiels verhindert.

Stattdessen wird eine solche Überlast durch die Blattfeder 11 in das Gehäuse 4 abgeleitet. In einem mittleren Bereich weist die Blattfeder 11 eine Stufe 12 auf, mit der sich die Blattfeder 11 an dem die Zahnstange 2 aufnehmenden Gehäuse 4 abstützt. Des Weiteren weist das obere Keilelement 7 einen sich in Richtung der Stufe 12 der Blattfeder 11 erstreckenden Vorsprung 13 auf. Zwischen dem Vorsprung 13 des oberen Keilelements 7 und der Stufe 12 der Blattfeder 11 ist im nicht belaste- ten Zustand der Vorrichtung 1 ein Spalt 14 vorhanden. Durch die Größe des

Spalts 14 zwischen der Stufe 12 und dem Vorsprung 13 kann auch das Spiel des Druckstücks 5 eingestellt werden. Diese gegenseitige Anordnung der Blattfeder 11 und des oberen Keilelements 7 ist in Fig. 4 sehr gut erkennbar. Durch diese Anpassung der Blattfeder 11 an die Gestalt des oberen Keilelements

7 wird eine optimale Einleitung der von der Blattfeder 11 erzeugten Kraft auf das Druckstück 5 gewährleistet. Dabei ist, wie oben angeführt, das obere Keilelement 7 so ausgeführt, dass sich die Blattfeder 11 in den äußeren Bereichen an demselben abstützen kann.

Zur Montage der Vorrichtung 1 ist es lediglich erforderlich, die beiden Keilelemente 7 und 8 mit der Blattfeder 11 in axialer Richtung x auf der Zahnstange 2 in eine zentrale, in axialer Richtung x verlaufende Bohrung des Gehäuses 4 einzuschieben. Hierzu wird die vormontierte Baugruppe, bestehend aus den beiden Keilelementen 7 und 8, der Blattfeder 11, den Federelementen 9 und dem Grundkörper 11 auf die Zahnstange 2 aufgebracht und bis zu einer definierten Position in das Gehäuse 4 eingeschoben. Zur Montage stützt sich dabei das obere Keilelement 7 über die Federelemente 9 an dem Grundkörper 10 ab, der ebenfalls in das Gehäuse 4 eingeschoben wird. Zwischen dem Grundkörper 10 und dem Gehäuse 4 ist eine derartige Passung vorhanden, dass ein Verbleib des Grundkörpers 10 und damit der gesamten Vorrichtung 1 in dem Gehäuse 4 gewährleistet ist. Der Grundkörper 10 kann dabei auch eine Notlauffunktion für die Zahnstange 2 übernehmen. Die gesamte Nachstelleinrichtung 6 wird somit innerhalb des Gehäuses 4 untergebracht. Nach dieser Montage erfolgt auf Basis der konstruktiven Auslegung der Vorrichtung 1 eine automatische Einstellung des gewünschten Spiels zwischen der Zahnstange 2 und dem Ritzel 3.

Das Gehäuse 4 und der Grundkörper 10 können beispielsweise aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen. Dadurch ist eine ähnliche bzw. identische Temperaturausdehnung dieser beiden Bauteile gewährleistet.

In Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Hierbei weist das Gehäuse 4 einen Vorsprung 15 auf, der sich in Richtung der Blattfeder 11 erstreckt. Die Blattfeder 11 ist dagegen ohne den bei Fig. 4 vorhandenen Vorsprung 13 ausgeführt.