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WO2008077705A1 - Lenkgetriebe eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Lenkgetriebe eines kraftfahrzeugs Download PDF

Info

Publication number
WO2008077705A1
WO2008077705A1 PCT/EP2007/062731 EP2007062731W WO2008077705A1 WO 2008077705 A1 WO2008077705 A1 WO 2008077705A1 EP 2007062731 W EP2007062731 W EP 2007062731W WO 2008077705 A1 WO2008077705 A1 WO 2008077705A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bearing
ball
steering gear
pinion
roller bearing
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/062731
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst DÖPPLING
Johannes Lang
Alexander Zernickel
Original Assignee
Schaeffler Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Kg filed Critical Schaeffler Kg
Publication of WO2008077705A1 publication Critical patent/WO2008077705A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • 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
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/34—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/36—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers
    • 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
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/34—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/38—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with two or more rows of rollers
    • 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
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/34—Rollers; Needles
    • F16C33/36—Rollers; Needles with bearing-surfaces other than cylindrical, e.g. tapered; with grooves in the bearing surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2556/00—Input parameters relating to data
    • B60W2556/45—External transmission of data to or from the vehicle
    • B60W2556/50—External transmission of data to or from the vehicle of positioning data, e.g. GPS [Global Positioning System] data
    • 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
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2326/00—Articles relating to transporting
    • F16C2326/20—Land vehicles
    • F16C2326/24—Steering systems, e.g. steering rods or columns

Definitions

  • the invention relates to a steering gear of a motor vehicle, with a steering housing, in which a radially one-sided provided with a toothing
  • Rack axially movable and a pinion shaft provided with a pinion are rotatably mounted, wherein the pinion shaft is arranged tangentially to the rack, via a toothing engagement of the pinion in the toothing with the rack in drive connection and via two axially on both sides of the pinion arranged rolling bearings, one of which as a permanent camp and one as
  • Floating bearing is formed, is rotatably mounted in the steering housing.
  • Steering gear of the aforementioned type which can also be referred to as rack and pinion steering, are known in different embodiments.
  • the pinion shaft of such a steering gear is on the input side usually via a universal joint or a flexible coupling with the steering shaft of a steering column in conjunction, which ends in the vehicle interior or in the driver cab and is provided there with a steering wheel, in the rotation of a driver enter a steering movement can.
  • the rotational movement introduced into the pinion shaft is converted into an axial displacement of the rack.
  • the rack is on both sides arranged steering rods with the steering levers of the stub axle of a steerable Anlagenach- se, which is mostly about the front axle, in conjunction, so that an axial displacement of the rack leads to a rectified rotation of the stub axle and attached to these vehicle wheels ,
  • steering gear are increasingly designed as power steering with hydraulic or electric motor assistive power, which is associated with an increasing load on the components, in particular the teeth of the rack and the pinion shaft and the roller bearings.
  • particularly high forces occur when a driver makes a major change in the steering angle when the vehicle is at a standstill, such as when parking in and out and when maneuvering.
  • the smallest possible clearance between the teeth of the rack and the pinion and in the rolling bearings is required in order to detect the current steering angle of the steering wheel and the steered vehicle wheels with high accuracy via a rotation angle sensor.
  • a typical steering gear of the generic type is known from DE 35 24 480 A1.
  • the fixed bearing is designed as a deep groove ball bearing and arranged axially on the input side of the pinion on the pinion shaft.
  • the floating bearing is designed as a needle bearing and arranged on the output side free end of the pinion shaft.
  • the steering gear has a friction device which causes a high friction resistance in the region of the neutral position and a low frictional resistance against an axial displacement of the toothed rack outside the neutral position.
  • the cylindrical roller bearing is at least partially provided with radially oversized elastic cylindrical rollers, whereby a largely backlash-free coaxial bearing of the input shaft is achieved on the pinion shaft.
  • the needle roller bearings or cylindrical roller bearings used as a floating bearing have a high load capacity and a low bearing clearance due to the large contact surface between the rolling elements and the raceways of the bearing rings with relatively small radial and relatively large axial dimensions
  • the deep groove ball bearings used as fixed bearings due to the punctiform Contact between the balls and the grooves of the bearing rings with a large radial and small axial size
  • the carrying capacity is relatively low and the bearing clearance relatively large.
  • the invention is therefore based on the object to propose a storage of the pinion shaft for a steering gear of the type mentioned, which has a low load capacity and low space requirement increased load capacity and a reduced bearing clearance.
  • the invention is based on the finding that, in particular for use in power-assisted steering gearboxes, compared with known steering gearboxes, essentially only increases the bearing capacity of the fixed bearing and its bearing play needs to be reduced, and both due to an increase in the contact surfaces between the rolling elements and the raceways of the bearing rings is achievable.
  • the invention therefore relates, according to the features of the main claim, to a steering gear of a motor vehicle having a steering housing in which a toothed rack provided radially on one side is rotatably mounted and a pinion shaft provided with a pinion is rotatably mounted, wherein the pinion shaft is arranged tangentially to the rack, is in drive connection via a toothing engagement of the pinion in the toothing with the rack and rotatably mounted in the steering housing via two axially on both sides of the pinion arranged rolling bearings, one of which is designed as a fixed bearing and a floating bearing.
  • the bearing is formed as a ball roller bearing whose rolling elements are formed by ball rollers with a spherical base and two axially symmetrically arranged and parallel aligned, flattened side surfaces, and with their spherical sections in a radially inner raceway and a radially outer raceway, each having a niksegmentförmigem cross section are guided.
  • the formation of the fixed bearing as a ball roller bearing results in the same large outer dimensions relative to a deep groove ball bearing a larger diameter of the ball body and thus a larger contact surface between the ball rollers and the radially inner and outer grooves, which leads to an increase in the load capacity and at the same time to a reduction of the radial and axial bearing clearance of the fixed bearing.
  • the pinion shaft of the steering gear is thus stored at a largely same space requirements higher load capacity and more accurate. Due to the smaller bearing clearance sensible control parameters, such as the steering angle struck via the pinion shaft or the steering torque effective on the pinion shaft, detected more accurate and therefore a particular electromotive servo-steering assistance of the steering can be controlled more accurately.
  • the ball roller bearing with the same axial width relative to a deep groove ball bearing preferably has a larger diameter of the ball basic shape of the ball rollers and a larger radius of curvature of the grooves.
  • this does not necessarily result in a larger outer diameter of the ball roller bearing, since the bearing rings are less heavily loaded due to the larger contact surfaces between the ball rollers and the grooves and thus can be made thinner compared to a deep groove ball bearing.
  • the ball roller bearing with the same axial width compared to a deep groove ball bearing has an equal diameter of the ball base and an enlarged grease depot. Due to the poor accessibility, the roller bearings of the pinion shaft are provided with a grease filling, which should be sufficient for the life of the steering gear.
  • the purpose of the grease is to form a load-bearing lubricating film on the surfaces of the raceways and rolling elements, to seal the rolling bearings against solid and liquid contaminants, to dampen running noises and to protect the bearing components against corrosion.
  • the ball rollers of the ball roller bearing each have a width "a" between their side surfaces of about 60% to 70% of the diameter "i" of the ball basic shape.
  • a low-vibration rolling bearing P has a relatively small rolling resistance and a relatively low bearing capacity due to a small contact surface between the rolling elements and the raceways, and is therefore preferable for low-load, high-speed applications.
  • the ball rollers of the ball roller bearing are suitably guided in bearing pockets of a bearing cage, wherein the side surfaces of the ball rollers and / or the axial abutment surfaces of the bearing pockets are convex. Due to the convex curvature of the side surfaces of the ball rollers or the axial contact surfaces of the bearing pockets, a natural tumbling movement of the ball rollers is made possible and thus a strong friction between the ball rollers and the bearing cage is avoided. As a result, a greater wear of the bearing cage is prevented and reduces the rolling resistance of the ball roller bearing.
  • Another possibility for avoiding a radial enlargement of the fixed bearing of the pinion shaft is that the ball roller bearing is designed in two rows. As a result, the occurring radial and axial forces are distributed to more ball rollers, which can then be made correspondingly smaller.
  • a particularly low-play absorption of the occurring radial and axial forces of the pinion shaft is achieved when the ball rollers of the two rows of the ball roller bearing against each other ange- represents and are axially at least slightly biased.
  • FIG. 1 shows a steering gear with a first embodiment of the storage of a pinion shaft in a longitudinal center section
  • FIG. 2 shows the steering gear according to FIG. 1 with a second embodiment of the bearing of the pinion shaft in a longitudinal center section;
  • FIG. 3 shows a ball roller bearing in a radial section.
  • a steering gear 1 of a motor vehicle according to FIG. 1 has a steering housing 2 in which a toothed rack 3 provided radially on one side with a toothing 4 is mounted for axial movement and a pinion shaft 5 provided with a pinion 6 is rotatably mounted.
  • the pinion shaft 5 is arranged tangentially to the rack 3 and is connected via a toothing engagement of the pinion 6 in the toothing 4 with the rack 3 in drive connection such that a rotation of the pinion shaft 5 leads to an axial displacement of the rack 3.
  • a guide piece 7 is provided, which is arranged on the toothing 4 radially opposite rear side of the rack 3 in a bore 8 of the steering housing 2, and by means of a helical spring designed as a compression spring 9, at one in the bore. 8 inserted lid 10 is supported, is pressed radially against the back of the rack 3.
  • the pinion shaft 5 is connected via a torsion bar 11 with an input shaft 12 in connection, which in a manner not shown with a steering wheel of the motor vehicle in drive connection.
  • a torsion bar overlapping hollow portion 13 of the input shaft 12 and the pinion shaft 5 is a not detailed in Figure 1 executed rotational angle sensor 14 which is arranged to control a pinion shaft 5 arranged on the servo valve 15, not shown in detail in FIG.
  • the bearing of the pinion shaft 5 consists of two axially arranged on both sides of the pinion 6 rolling bearings, one of which is designed as a fixed bearing 16 and the other as a floating bearing 17.
  • the loose bearing 17 is arranged on the input side between the pinion 6 and the servo valve 15 and is designed as a cylindrical roller bearing 18.
  • the fixed bearing 16 is presently arranged at the free end of the pinion shaft 5 axially adjacent to the pinion 6 and formed as a ball roller bearing 19.
  • the ball roller bearing 19 has no bearing inner ring, but the radially inner raceway 20 is incorporated into the surface of the pinion shaft 5.
  • the ball rollers are compared with a ball roller bearing with bearing inner ring increased, whereby the bearing capacity of the ball roller bearing 19 is further increased. Due to this embodiment of the ball roller bearing 19 can be dispensed with an axial fixation of the fixed bearing 16 on the pinion shaft 5.
  • FIG. 2 a largely identical steering gear Y is depicted as in FIG. The only difference is in another ren execution of the fixed bearing 16, which is now designed as a double-row ball roller bearing 19 '.
  • the ball rollers for better absorption occurring axial forces are made axially against each other.
  • the ball roller bearing 19 ' has a bearing inner ring, a Axia- Ie fixation of the fixed bearing 16 on the pinion shaft 5 is required, which is accomplished here by means of an axially inner stop collar 21 of the pinion shaft 5 and a screwed onto the outside of the pinion shaft 5 lock nut 22.
  • a ball roller bearing 19 is shown in a radial section in FIG. 3 in general form.
  • the ball roller bearing 19 has a bearing inner ring 23 and a bearing outer ring 24, each having a radially inner raceway 25 and a radially outer raceway 25 'between which a plurality of rolling elements formed as ball rollers 26 are arranged and guided by a bearing cage 27.
  • the grooves 25, 25 ' have transversely to the direction of rotation in each case a circular segment-shaped cross section with a radius of curvature R.
  • the ball rollers 26 have a basic ball shape with two axially symmetrically arranged and parallel aligned flattened side surfaces 28.
  • the width a between the side surfaces 28 of the ball rollers 26 is about 60% to 70% of the diameter i of the ball basic shape.
  • the side surfaces 28 of the ball rollers 26 are slightly convex or convex. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lenkgehäuse (2), in dem eine radial einseitig mit einer Verzahnung (4) versehene Zahnstange (3) axialbeweglich und eine mit einem Ritzel (6) versehene Ritzelwelle (5) drehbar gelagert sind, wobei die Ritzelwelle (5) tangential zu der Zahnstange (3) angeordnet ist, über einen Verzahnungseingriff des Ritzels (6) in die Verzahnung (4) mit der Zahnstange (3) in Triebverbindung steht und über zwei axial beidseitig des Ritzels (6) angeordnete Wälzlager (16, 17), von denen eines als Festlager (16) und eines als Loslager (17) ausgebildet ist, drehbar in dem Lenkgehäuse (2) gelagert ist. Zur Erhöhung der Tragfähigkeit und zur Verringerung des Lagerspiels der Lagerung der Ritzelwelle (5) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Festlager (16) als ein Kugelrollenlager (19, 19') ausgebildet ist, dessen Wälzkörper durch Kugelrollen (26) mit einer Kugelgrundform und jeweils zwei axialseitig symmetrisch angeordneten und parallel zueinander ausgerichteten, abgeflachten Seitenflächen (28) gebildet sind, und mit ihren kugelförmigen Abschnitten in einer radial inneren Laufrille (25) und einer radial äußeren Laufrille (25') mit jeweils kreissegmentförmigem Querschnitt geführt sind.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lenk- gehäuse, in dem eine radial einseitig mit einer Verzahnung versehene
Zahnstange axialbeweglich und eine mit einem Ritzel versehene Ritzelwelle drehbar gelagert sind, wobei die Ritzelwelle tangential zu der Zahnstange angeordnet ist, über einen Verzahnungseingriff des Ritzels in die Verzahnung mit der Zahnstange in Triebverbindung steht und über zwei axial beidseitig des Ritzels angeordnete Wälzlager, von denen eines als Festlager und eines als
Loslager ausgebildet ist, drehbar in dem Lenkgehäuse gelagert ist.
Hintergrund der Erfindung
Lenkgetriebe der vorbezeichneten Bauart, die auch als Zahnstangenlenkung bezeichnet werden kann, sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Ritzelwelle eines derartigen Lenkgetriebes steht eingangsseitig zumeist über ein Kardangelenk oder eine elastische Kupplung mit der Lenkwelle einer Lenksäule in Verbindung, die im Fahrzeuginnenraum bzw. in der Fah- rerkabine endet und dort mit einem Lenkrad versehen ist, in dessen Drehung ein Fahrer eine Lenkbewegung eingeben kann. In dem Lenkgetriebe wird die in die Ritzelwelle eingeleitete Drehbewegung in eine Axialverschiebung der Zahnstange umgesetzt. Die Zahnstange steht über beidseitig angeordnete Lenkstangen mit den Lenkhebeln der Achsschenkel einer lenkbaren Fahrzeugach- se, bei der es sich zumeist um die Vorderachse handelt, in Verbindung, so dass eine Axialverschiebung der Zahnstange zu einer gleichgerichteten Drehung der Achsschenkel und der an diesen befestigten Fahrzeugräder führt. Aufgrund allgemein zunehmender Fahrzeuggewichte und steigender Komfortansprüche werden Lenkgetriebe zunehmend als Servolenkungen mit hydraulischer oder elektromotorischer Hilfskraftunterstützung ausgebildet, was mit einer zunehmenden Belastung der Bauteile, insbesondere der Verzahnungen der Zahnstange und des Ritzels der Ritzelwelle sowie der Wälzlager verbunden ist. Dabei treten besonders hohe Kräfte dann auf, wenn ein Fahrer bei Fahrzeugstillstand, wie beim Ein- und Ausparken sowie beim Rangieren, große Änderungen des Lenkeinschlags vornimmt. Ebenso ist bei Servolenkungen ein möglichst geringes Spiel zwischen den Verzahnungen der Zahnstange und dem Ritzel sowie in den Wälzlagern erforderlich, um über einen Drehwinkelsensor den aktuellen Lenkeinschlag des Lenkrades und der gelenkten Fahrzeugräder mit hoher Genauigkeit erfassen zu können.
Zur Erhöhung der Tragfähigkeit und der Spielfreiheit sind die Verzahnungen der Zahnstange und des Ritzels zumeist als Schrägverzahnungen ausgebildet, welches bei einer Übertragung von Lenkbewegungen in der Ritzelwelle neben Radialkräften, die von beiden Wälzlagern aufgenommen und in das Lenkgehäuse eingeleitet werden, auch in beiden Richtungen Axialkräfte hervorruft, die nur von dem Festlager aufgenommen und in das Lenkgehäuse eingeleitet werden.
Ein typisches Lenkgetriebe der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE 35 24 480 A1 bekannt. Bei diesem Lenkgetriebe ist das Festlager als Rillenkugellager ausgebildet und axial eingangsseitig des Ritzels auf der Ritzelwelle ange- ordnet. Das Loslager ist als Nadellager ausgebildet und an dem ausgangssei- tigen freien Ende der Ritzelwelle angeordnet. Als Besonderheit weist das Lenkgetriebe eine Friktionseinrichtung auf, die im Bereich der Neutralstellung einen hohen und außerhalb der Neutralstellung einen niedrigen Reibungswiderstand gegen eine Axialverschiebung der Zahnstange bewirkt.
Ein weiteres Lenkgetriebe der gattungsgemäßen Bauart ist in der DE 10 2005 004 034 A1 beschrieben. Bei diesem bekannten Lenkgetriebe, das eine elektromotorische Servounterstützung und einen Drehwinkelsensor aufweist, ist das Festlager als Rillenkugellager ausgebildet und an dem ausgangsseitigen freien Ende der Ritzelwelle angeordnet. Das Loslager ist als Nadellager ausgebildet und axial eingangsseitig des Ritzels auf der Ritzelwelle angeordnet. Die Ritzelwelle steht eingangsseitig über einen zylindrischen Drehstab mit einem hohlen Abschnitt einer Eingangswelle in Verbindung, der nahe der Ritzelwelle über ein Zylinderrollenlager auf dem Drehstab gelagert ist. Zur Erzielung einer genauen Ermittlung der von dem Fahrer aufgebrachten Lenkkraft durch den im Grenzbereich zwischen der Eingangswelle und der Ritzelwelle angeordneten Drehwinkelsensor ist das Zylinderrollenlager zumindest teilweise mit radial übermaßigen elastischen Zylinderrollen versehen, wodurch eine weitgehend spielfreie koaxiale Lagerung der Eingangswelle auf der Ritzelwelle erzielt wird.
Während die als Loslager verwendeten Nadellager oder Zylinderrollenlager aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen den Wälzkörpern und den Lauf- bahnen der Lagerringe bei relativ geringen radialen und relativ großen axialen Abmessungen eine hohe Tragfähigkeit und ein geringes Lagerspiel aufweisen, ist bei den als Festlagern verwendeten Rillenkugellagern aufgrund des punktförmigen Kontaktes zwischen den Kugeln und den Laufrillen der Lagerringe bei großer radialer und geringer axialer Baugröße die Tragfähigkeit relativ gering und das Lagerspiel verhältnismäßig groß.
Zwar könnte zur Erhöhung der Tragfähigkeit und der Verringerung des Lagerspiels für die Festlagerung der Ritzelwelle anstelle eines Rillenkugellagers beispielsweise auch ein Vierpunkt-Kugellager, bei dem die Kugeln jeweils an zwei Punkten mit den Laufrillen der Lagerringe in Kontakt stehen und einer der Lagerringe, zumeist der Innenring, radial geteilt ist, oder eine angestellte Lagerung von zwei Schrägkugellagern oder von zwei Kegelrollenlagern vorgesehen werden. Dies würde jedoch zu deutlich höheren Fertigungskosten und zu unakzeptabel großen Abmessungen der Lagerung und des gesamten Lenkgetrie- bes führen. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für ein Lenkgetriebe der eingangs genannten Art eine Lagerung der Ritzelwelle vorzuschlagen, die bei niedrigem Fertigungsaufwand und geringem Bauraumbedarf eine erhöhte Tragfähigkeit sowie ein verringertes Lagerspiel aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere für die Verwendung in servounterstützten Lenkgetrieben gegenüber bekannten Lenkgetrieben im Wesentlichen nur die Tragfähigkeit des Festlagers erhöht und deren Lagerspiel verringert zu werden braucht, und dass beides durch eine Vergrößerung der Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen der Lagerringe erzielbar ist.
Die Erfindung betrifft gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs daher ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lenkgehäuse, in dem eine radial einseitig mit einer Verzahnung versehene Zahnstange axialbeweglich und eine mit einem Ritzel versehene Ritzelwelle drehbar gelagert sind, wobei die Ritzelwelle tangential zu der Zahnstange angeordnet ist, über einen Verzahnungseingriff des Ritzels in die Verzahnung mit der Zahnstange in Triebverbindung steht und über zwei axial beidseitig des Ritzels angeordnete Wälzlager, von denen eines als Festlager und eines als Loslager ausgebildet ist, drehbar in dem Lenkgehäuse gelagert ist. Außerdem ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das Festlager als ein Kugelrollenlager ausgebildet ist, dessen Wälzkörper durch Kugelrollen mit einer Kugelgrundform und jeweils zwei axialseitig symmetrisch angeordneten sowie parallel zueinander ausgerichteten, abgeflachten Seitenflächen gebildet sind, und mit ihren kugelförmigen Abschnitten in einer radial inneren Laufrille und einer radial äußeren Laufrille mit jeweils kreissegmentförmigem Querschnitt geführt sind.
Durch die Ausbildung des Festlagers als Kugelrollenlager ergibt sich bei gleich großen äußeren Abmessungen gegenüber einem Rillenkugellager ein größerer Durchmesser des Kugelgrundkörpers und somit eine größere Kontaktfläche zwischen den Kugelrollen sowie den radial inneren und äußeren Laufrillen, was zu einer Erhöhung der Tragfähigkeit und zugleich zu einer Verringerung des radialen und axialen Lagerspiels des Festlagers führt.
Die Ritzelwelle des Lenkgetriebes ist somit bei weitgehend gleichem Bauraumbedarf höher belastbar und exakter gelagert. Aufgrund des geringeren Lagerspiels können sensierbare Steuerparameter, wie der über die Ritzelwelle ein- geschlagene Lenkwinkel oder das auf die Ritzelwelle wirksame Lenkmoment, genauer erfasst und demzufolge eine insbesondere elektromotorische Ser- vounterstützung der Lenkung exakter gesteuert werden.
Die Bauart des Kugelrollenlagers ist zwar in allgemeiner Form, wie beispiels- weise aus dem Deutsche Patent Nr. 311317 und der DE 43 34 195 A1 seit längerem bekannt, jedoch bislang nur für spezielle Anwendungen, wie beispielsweise in der US-Patentschrift US 3 020 106 für ein Gyroskop, vorgeschlagen worden. Die Verwendung eines Kugelrollenlagers als Festlager zur Lagerung der Ritzelwelle eines als Zahnstangen-Lenkgetriebe ausgebildeten Lenkgetriebes ist daher nach diesseitiger Erkenntnis neu und für den Fachmann auf dem Kraftfahrzeuggebiet nicht naheliegend.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Lenkgetriebes sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Demnach weist das Kugelrollenlager bei gleicher axialer Breite gegenüber einem Rillenkugellager bevorzugt einen größeren Durchmesser der Kugelgrundform der Kugelrollen und einen größeren Krümmungsradius der Laufrillen auf. Daraus muss jedoch nicht zwangsläufig ein größerer Außendurchmesser des Kugelrollenlagers resultieren, da die Lagerringe aufgrund der größeren Kontaktflächen zwischen des Kugelrollen und den Laufrillen weniger stark belastet werden und somit im Vergleich zu einem Rillenkugellager dünner ausgebildet werden können. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass das Kugelrollenlager bei gleicher axialer Breite gegenüber einem Rillenkugellager einen gleich großen Durchmesser der Kugelgrundform und ein vergrößertes Fettdepot aufweist. Aufgrund der schlechten Zugänglichkeit sind die Wälzlager der Ritzelwelle mit einer Fettfüllung versehen, die für die Lebensdauer des Lenkgetriebes ausreichen soll. Das Fett hat die Aufgabe, auf den Oberflächen der Laufbahnen und Wälzkörper einen tragfähigen Schmierfilm auszubilden, die Wälzlager gegen feste und flüssige Verunreinigungen abzudichten, Laufgeräusche zu dämpfen und die Lagerbauteile vor Korrosion zu schützen. Durch eine Vergrößerung der Fettdepots wird somit auch ein Beitrag zur Erhöhung der Belastbarkeit und zur Verlängerung der Lebensdauer der Wälzlager, vorliegend der Lagerung der Ritzelwelle des Lenkgetriebes, geleistet.
Als guter Kompromiss zwischen einer Reduzierung der axialen Breite der Wälzkörper und einer Erhöhung der Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern sowie den Laufrillen hat es sich als optimal erwiesen, wenn die Kugelrollen des Kugelrollenlagers jeweils eine Breite „a" zwischen ihren Seitenflächen von etwa 60% bis 70% des Durchmessers „i" der Kugelgrundform aufweisen.
Außer durch eine Vergrößerung der Wälzkörper und der Laufrillen kann die Tragfähigkeit eines Wälzlagers auch durch eine Erhöhung der Schmiegung „P" gesteigert werden, mit der bei kugelförmigen Wälzkörpern das Verhältnis aus dem Durchmesser i der Kugelgrundform der Wälzkörper und dem zweifachen Wert des quer zur Drehrichtung vorhandenen Krümmungsradius R der Laufrillen bezeichnet ist (P = i / 2R).
Ein Wälzlager mit niedriger Schmiegung P weist aufgrund einer kleinen Kontaktfläche zwischen den Wälzkörpern und den Laufrillen einen relativ geringen Wälzwiderstand sowie eine relativ niedrige Tragfähigkeit auf und ist daher bevorzugt für Anwendungen mit geringer Last und hoher Drehzahl geeignet. Ein Wälzlager mit hoher Schmiegung P weist aufgrund einer großen Kontaktfläche zwischen den Wälzkörpern und den Laufrillen einen relativ hohen Wälzwiderstand sowie eine große Tragfähigkeit auf und ist daher eher für Anwendungen mit hoher Last und geringer Drehzahl geeignet. Letzteres trifft genau für ein Lenkgetriebe zu, so dass das als Festlager der Ritzelwelle verwendete Kugelrollenlager zur Erhöhung seiner Tragfähigkeit gegenüber einem Rillenkugellager vorteilhaft eine erhöhte Schmiegung P = i / 2R aufweisen kann. Die Schmiegung P des Kugelrollenlagers nimmt bevorzugt einen Wert zwischen P = 0,92 und P = 0,98 ein (0,92 <= P <= 0,98).
Die Kugelrollen des Kugelrollenlagers sind zweckmäßig in Lagertaschen eines Lagerkäfigs geführt, wobei die Seitenflächen der Kugelrollen und/oder die axialen Anlaufflächen der Lagertaschen konvex gewölbt sind. Durch die konvexe Wölbung der Seitenflächen der Kugelrollen oder der axialen Anlaufflächen der Lagertaschen wird eine natürliche Taumelbewegung der Kugelrollen er- möglicht und somit eine starke Reibung zwischen den Kugelrollen und dem Lagerkäfig vermieden. Dadurch wird eine stärkere Abnutzung des Lagerkäfigs verhindert und der Wälzwiderstand des Kugelrollenlagers verringert.
Sollen die Kugelrollen des Kugelrollenlagers zur Erhöhung der Tragfähigkeit weiter vergrößert werden, so kann eine äußere radiale Vergrößerung des Festlagers der Ritzelwelle dadurch vermieden werden, dass die radial innere Laufrille des Kugelrollenlagers in die Oberfläche der Ritzelwelle eingearbeitet ist, demnach auf den betreffenden Lagerinnenring verzichtet wird.
Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung einer radialen Vergrößerung des Festlagers der Ritzelwelle besteht darin, dass das Kugelrollenlager zweireihig ausgeführt wird. Hierdurch werden die auftretenden Radial- und Axialkräfte auf mehr Kugelrollen verteilt, die dann entsprechend kleiner ausgeführt sein können.
Bei einem zweireihigen Kugelrollenlager wird eine besonders spielarme Aufnahme der auftretenden Radial- und Axialkräfte der Ritzelwelle erzielt, wenn die Kugelrollen der beiden Reihen des Kugelrollenlagers gegeneinander ange- stellt und axial zumindest leicht vorgespannt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 ein Lenkgetriebe mit einer ersten Ausführungsvariante der Lagerung einer Ritzelwelle in einem Längsmittelschnitt;
Figur 2 das Lenkgetriebe nach Figur 1 mit einer zweiten Ausführungsform der Lagerung der Ritzelwelle in einem Längsmittelschnitt;
Figur 3 ein Kugelrollenlager in einem Radialschnitt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Ein Lenkgetriebe 1 eines Kraftfahrzeugs nach Figuri weist ein Lenkgehäuse 2 auf, in dem eine radial einseitig mit einer Verzahnung 4 versehene Zahnstange 3 axialbeweglich und eine mit einem Ritzel 6 versehene Ritzelwelle 5 drehbar gelagert sind. Die Ritzelwelle 5 ist tangential zu der Zahnstange 3 angeordnet und steht über einen Verzahnungseingriff des Ritzels 6 in die Verzahnung 4 mit der Zahnstange 3 derart in Triebverbindung, dass eine Drehung der Ritzelwelle 5 zu einer Axialverschiebung der Zahnstange 3 führt.
Zur Führung der Zahnstange 3 ist ein Führungsstück 7 vorgesehen, das auf der der Verzahnung 4 radial gegenüberliegenden Rückseite der Zahnstange 3 in einer Bohrung 8 des Lenkgehäuses 2 angeordnet ist, und die mittels einer als Schraubenfeder ausgebildeten Druckfeder 9, die an einem in die Bohrung 8 eingesetzten Deckel 10 abgestützt ist, radial gegen die Rückseite der Zahnstange 3 gedrückt wird.
Eingangsseitig steht die Ritzelwelle 5 über einen Drehstab 11 mit einer Eingangswelle 12 in Verbindung, die in nicht dargestellter Weise mit einem Lenk- rad des Kraftfahrzeugs in Triebverbindung ist. Im angrenzenden Bereich eines den Drehstab überdeckenden Hohlabschnittes 13 der Eingangswelle 12 und der Ritzelwelle 5 ist ein in Figur 1 nicht näher ausgeführter Drehwinkelsensor 14 angeordnet, der zur Steuerung eines auf der Ritzelwelle 5 angeordneten, in Figur 1 nicht genau dargestellten Servoventils 15 dient.
Die Lagerung der Ritzelwelle 5 besteht aus zwei axial beidseitig des Ritzels 6 angeordneten Wälzlagern, von denen das eine als Festlager 16 und das andere als Loslager 17 ausgebildet ist. Das Loslager 17 ist vorliegend eingangssei- tig zwischen dem Ritzel 6 und dem Servoventil 15 angeordnet und als Zylinderrollenlager 18 ausgebildet. Das Festlager 16 ist vorliegend an dem freien Ende der Ritzelwelle 5 axial benachbart zu dem Ritzel 6 angeordnet und als Kugelrollenlager 19 ausgebildet.
Durch die Verwendung eines Kugelrollenlagers 19 als Festlager 16 wird im Vergleich zu einem sonst üblichen Rillenkugellager die Tragfähigkeit erhöht und zugleich das axiale und radiale Lagerspiel verringert. Hierdurch wird die Übertragung höherer, durch das Servoventil 15 bedingter Lenkkräfte möglich, die über die Wälzlager 16, 17 abgestützt werden. Ebenso wird dadurch eine genauere Ermittlung des über die Eingangswelle 12 eingeleiteten Lenkmomentes und demzufolge eine exaktere Steuerung der durch das Servoventil 15 bewirkten Lenkkraftunterstützung ermöglicht.
Als Besonderheit weist das Kugelrollenlager 19 keinen Lagerinnenring auf, sondern die radial innere Laufrille 20 ist in die Oberfläche der Ritzelwelle 5 eingearbeitet. Hierdurch sind die Kugelrollen gegenüber einem Kugelrollenlager mit Lagerinnenring vergrößert, wodurch die Tragfähigkeit des Kugelrollenlagers 19 weiter erhöht ist. Aufgrund dieser Ausführung des Kugelrollenlagers 19 kann auch auf eine axiale Fixierung des Festlagers 16 auf der Ritzelwelle 5 verzichtet werden.
In der Abbildung gemäß Figur 2 ist ein weitgehend identisches Lenkgetriebe Y wie in Figur 1 abgebildet. Der einzige Unterschied dazu besteht in einer ande- ren Ausführung des Festlagers 16, das nunmehr als doppelreihiges Kugelrollenlager 19' ausgebildet ist. Bei diesem Kugelrollenlager 19' sind die Kugelrollen zur besseren Aufnahme auftretender Axialkräfte axial gegeneinander angestellt. Da das Kugelrollenlager 19' einen Lagerinnenring aufweist, ist eine axia- Ie Fixierung des Festlagers 16 auf der Ritzelwelle 5 erforderlich, was vorliegend mittels eines axial inneren Anlaufbundes 21 der Ritzelwelle 5 und einer außen auf die Ritzelwelle 5 aufgeschraubten Sicherungsmutter 22 bewerkstelligt ist.
Zur Erläuterung ihres geometrischen Aufbaus ist in Figur 3 in allgemeiner Form ein Kugelrollenlager 19 in einem Radialschnitt dargestellt. Das Kugelrollenlager 19 weist einen Lagerinnenring 23 und einen Lageraußenring 24 mit jeweils einer radial inneren Laufrille 25 und einer radial äußeren Laufrille 25' auf, zwischen denen mehrere als Kugelrollen 26 ausgebildete Wälzkörper angeordnet und durch einen Lagerkäfig 27 geführt sind. Die Laufrillen 25, 25' weisen quer zur Drehrichtung jeweils einen kreissegmentförmigen Querschnitt mit einem Krümmungsradius R auf.
Die Kugelrollen 26 weisen eine Kugelgrundform mit jeweils zwei axialseitig symmetrisch angeordneten und parallel zueinander ausgerichteten abgeflachten Seitenflächen 28 auf. Die Breite a zwischen den Seitenflächen 28 der Kugelrollen 26 beträgt etwa 60% bis 70% des Durchmessers i der Kugelgrundform. Das Kugelrollenlager 19 weist gegenüber einem Rillenkugellager eine erhöhte Schmiegung P = i / 2R auf, die bei der Verwendung als Festlager 16 der Ritzelwelle 5 eines Lenkgetriebes 1 , 1 ' gemäß Figur 1 und Figur 2 bevorzugt einen Wert zwischen P = 0,92 und P = 0,98 einnimmt. Um eine natürliche Taumelbewegung der Kugelrollen 26 zu ermöglichen und einen erhöhten Wälzwiderstand des Kugelrollenlagers 19 zu vermeiden, sind die Seitenflächen 28 der Kugelrollen 26 leicht konvex bzw. ballig gewölbt. Bezugszeichenliste
Lenkgetriebe 18 Zylinderrollenlager
Lenkgetriebe 19 Kugelrollenlager
Lenkgehäuse 19' Kugelrollenlager
Zahnstange 20 Radial innere Laufrille
Verzahnung 21 Anlaufbund
Ritzelwelle 22 Sicherungsmutter
Ritzel 23 Lagerinnenring
Führungsstück 24 Lageraußenring
Bohrung 25 Radial innere Laufrille
Druckfeder 25' Radial äußere Laufrille
Deckel 26 Kugelrolle
Drehstab 27 Lagerkäfig
Eingangswelle 28 Seitenfläche
Hohlabschnitt a Breite, axialer Abstand
Drehwinkelsensor i Durchmesser
Servoventil P Schmiegung
Wälzlager, Festlager R Krümmungsradius
Wälzlager, Loslager

Claims

Patentansprüche
1. Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lenkgehäuse (2), in dem eine radial einseitig mit einer Verzahnung (4) versehene Zahnstange (3) axialbeweglich und eine mit einem Ritzel (6) versehene Ritzelwelle (5) drehbar gelagert sind, wobei die Ritzelwelle (5) tangential zu der Zahnstange (3) angeordnet ist, über einen Verzahnungseingriff des Ritzels (6) in die Verzahnung (4) mit der Zahnstange (3) in Triebverbindung steht und über zwei axial beidseitig des Ritzels (6) angeordnete Wälzlager (16, 17), von denen eines als Festlager (16) und eines als Loslager (17) ausgebildet ist, drehbar in dem Lenkgehäuse (2) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (16) als ein Kugelrollenlager (19, 19') ausgebildet ist, dessen Wälzkörper durch Kugelrollen (26) mit einer Kugelgrundform und jeweils zwei axialseitig symmetrisch angeordneten sowie parallel zueinander ausgerichteten abgeflachten Seitenflächen (28) gebildet sind, und mit ihren kugelförmigen Abschnitten in einer radial inneren Laufrille (25) und einer radial äußeren Laufrille (25') mit jeweils kreissegmentförmi- gem Querschnitt geführt sind.
2. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (19, 19') bei gleicher axialer Breite gegenüber einem Rillenkugellager einen größeren Durchmesser (i) der Kugelgrundform der Kugelrollen (26) und einen größeren Krümmungsradius (R) der Laufrillen (25, 25') aufweist.
3. Lenkgetriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (19, 19') bei gleicher axialer Breite gegenüber einem Rillenkugellager einen gleich großen Durchmesser (i) der Kugelgrundform und ein vergrößertes Fettdepot aufweist.
4. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrollen (26) des Kugelrollenlagers (19, 19') jeweils eine Breite (a) zwischen ihren Seitenflächen (28) von etwa 60% bis 70% des Durchmessers (i) der Kugelgrundform aufweisen.
5. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (19, 19') gegenüber einem Rillenkugellager eine erhöhte Schmiegung (P = i / 2R) aufweist.
6. Lenkgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung (P) des Kugelrollenlagers (19, 19') einen Wert zwischen P = 0,92 und P = 0,98 einnimmt (0,92 <= P <= 0,98).
7. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrollen (26) des Kugelrollenlagers (19, 19') in Lagertaschen eines Lagerkäfigs (27) geführt sind, wobei die Seitenflächen (28) der Kugelrollen (26) und/oder die axialen Anlaufflächen der Lagertaschen konvex gewölbt sind.
8. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Laufrille (20) des Kugelrollenlagers (19) in die Oberfläche der Ritzelwelle (5) eingearbeitet ist.
9. Lenkgetriebe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (19') zweireihig ausgebildet ist.
10. Lenkgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrollen (26) der beiden Reihen des Kugelrollenlagers (19') gegeneinander angestellt und axial vorgespannt sind.
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