Wie hoch ist das Lenkdrehmoment durch das Zahnstangengetriebe?
In der Fahrzeuglenkung ist die Zahnstangenkonstruktion derzeit der am weitesten verbreitete mechanische Lenkmechanismus. Die Funktion dieses Mechanismus besteht darin, die vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Kraft in eine lineare Bewegung umzuwandeln, die das Vorderrad auslenkt und so die Lenkung vervollständigt. Dabei spielt das Drehmoment als zentrale physikalische Größe eine Schlüsselrolle bei der Leistungsumwandlung, der Drehmomentverstärkung und der Steuerungsrückmeldung.
Wie hoch ist also das Lenkdrehmoment durch dieZahnstangengetriebeWie wird es erzeugt und übertragen? Dieser Artikel analysiert die Materie aus verschiedenen Blickwinkeln, wie z. B. mechanische Prinzipien, strukturelle Konfiguration und Designparameter, um diese Frage umfassend zu beantworten.
Was ist ein Zahnstangengetriebe?
Das Zahnstangengetriebe ist ein mechanisches Gerät, das Drehbewegungen in lineare Bewegungen umwandelt. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem zylindrischen Ritzel (allgemein Ritzel genannt) und einem linearen Zahnstangengetriebe. Das Ritzel ist mit der Lenkwelle und die Zahnstange mit der Spurstange verbunden. Dreht der Fahrer das Lenkrad, wird die Kraft über die Lenksäule auf das Ritzel übertragen. Das Ritzel treibt die Zahnstange nach links und rechts an und bewirkt dadurch eine Lenkbewegung.
Diese Struktur weist die folgenden typischen Merkmale auf:
·Schnelle mechanische Reaktion: Die Drehung des Ritzels wird sofort in die Bewegung der Zahnstange umgewandelt.
·Kompakte Struktur: Im Vergleich zu herkömmlichen Schneckengetrieben oder Kugelumlaufsystemen ist das Zahnstangengetriebe leichter und kleiner.
·Natürliches Feedback: Straßeninformationen können über die Zahnstangen- und Ritzelstruktur direkt an das Lenkrad zurückgemeldet werden.
Dabei kommt der Drehmomenterzeugung und -übertragung eine entscheidende Rolle zu.
Was ist Lenkdrehmoment?
Bei Zahnstangengetrieben bezeichnet das sogenannte Lenkdrehmoment im Allgemeinen das Antriebsdrehmoment, das durch das vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment erzeugt wird, nachdem es über das Ritzel auf die Zahnstange übertragen wurde. Dieses Drehmoment ist kein fester Wert, sondern ein dynamischer Parameter, der von folgenden Faktoren abhängt:
1. Ritzelradius (r):in Metern. Je größer das Ritzel, desto größer der lineare Schub, der durch die gleiche Winkelkraft erzeugt wird.
2. Vom Fahrer aufgebrachte Kraft (F):in Newton.
3. Drehmoment (T) = F × r:das heißt, Kraft multipliziert mit dem Aktionsradius des Ritzels.
Wenn der Fahrer beispielsweise eine Kraft von 20 Newton auf das Lenkrad ausübt und der effektive Radius des Ritzels 0,02 Meter beträgt, beträgt das erzeugte Drehmoment:
T = 20 × 0,02 = 0,4 Newtonmeter
Dieses Drehmoment treibt dann durch die Drehung des Ritzels die Zahnstange an und übt eine Lenkkraft auf das Rad aus.
Welche Faktoren beeinflussen das Lenkdrehmoment von Zahnstangengetrieben?
1. Ritzeldurchmesser und Zähnezahl
Die Größe des Ritzels bestimmt direkt seine Drehmomentumwandlungskapazität. Je größer der Ritzelradius, desto mehr lineare Verschiebung pro Winkeleinheit, aber desto höher ist auch das erforderliche Drehmoment; umgekehrt ist die Empfindlichkeit höher, aber das Drehmoment geringer.
Gleichzeitig beeinflusst die Anzahl der Ritzelzähne das Übersetzungsverhältnis. Ein großes Übersetzungsverhältnis bedeutet, dass das Lenkrad im Gegenzug für einen größeren Zahnstangenweg mehr Kreise drehen muss, die benötigte Antriebskraft jedoch geringer ist. Ein kleines Übersetzungsverhältnis ist feinfühlig, aber aufwendig.
2. Rack-Last
Im Stand oder bei niedriger Geschwindigkeit ist die Reibung zwischen Reifen und Boden groß und der Lenkwiderstand erheblich. Zu diesem Zeitpunkt trägt die Zahnstange eine größere Last und benötigt ein höheres Drehmoment.
Bei hohen Geschwindigkeiten verringert sich das zum Lenken erforderliche Drehmoment aufgrund der erhöhten Eigenstabilität der Räder. Daher variieren die Drehmomentanforderungen des Zahnstangengetriebesystems unter verschiedenen Arbeitsbedingungen stark.
3. Art der Servounterstützung (hydraulisch/elektrisch/ohne Servounterstützung)
Moderne Autos sind häufig mit Servosystemen – hydraulischer Servolenkung (HPS) oder elektrischer Servolenkung (EPS) – ausgestattet, um die vom Fahrer aufgebrachte ursprüngliche Kraft zu verringern und so das erforderliche Drehmoment zu reduzieren.
Unabhängig von der verwendeten Servounterstützung wird die endgültige Lenkkraft jedoch immer über das Zahnstangengetriebe übertragen. Daher muss das Zahnstangengetriebe der gesamten Lenklast standhalten können.
4. Kontaktfläche der Zahnoberfläche und Schmierstatus
Während des Zahneingriffs beeinflussen Reibung, Eingriffsgenauigkeit und Schmierzustand der Zahnoberfläche die tatsächliche Drehmomentübertragungseffizienz. Je geringer die Reibung, desto höher die Effizienz; umgekehrt ist ein höheres Eingangsdrehmoment erforderlich, um den inneren Widerstand zu überwinden.
Wie hoch ist der Drehmomentbereich von Zahnstangengetrieben in gängigen Fahrzeugen?
Aufgrund unterschiedlicher Strukturen und Einsatzzwecke weisen verschiedene Fahrzeugtypen unterschiedliche Lenkmomentbereiche auf, denen ihre Zahnstangengetriebe standhalten müssen. Nachfolgend finden Sie eine allgemeine Klassifizierungsbeschreibung:
| Fahrzeugtyp | Zahnstangen- und Ritzel-Eingangsdrehmoment (ohne Unterstützung) | Abtriebskraft des Zahnstangengetriebes (N) |
| Kleiner Personenwagen | 0,3 – 1,0 Nm | 500 – 1200 N |
| Mittelgroßer SUV | 0,8 – 2,0 Nm | 1000 – 1800 N |
| Großer LKW/Pickup | 1,5 – 3,0 Nm | 1500 – 3000 N |
Erklärung: Das Eingangsdrehmoment in dieser Tabelle bezieht sich auf das Ritzeldrehmoment, das der Fahrer über das Lenkrad ausübt; die Ausgangskraft bezieht sich auf die Druck- und Zugkraft, die von der Zahnstange auf die Spurstange ausgeübt wird und dadurch das Rad dreht.
Wie berechnet man das tatsächliche Drehmoment von Zahnstange und Ritzel?
In der Technik basiert die genaue Berechnung des Lenkdrehmoments des Zahnstangengetriebesystems üblicherweise auf den folgenden Schritten:
Schritt 1: Messen Sie den Zahnradradius
Bei einem angenommenen Ritzeldurchmesser von 40 mm beträgt der Radius r = 0,02 m
Schritt 2: Messen Sie die Lenkradkrafteingabe
Der Drehmomentsensor zeigt an, dass der Fahrer in einem bestimmten Moment eine Tangentialkraft von 20 Newton aufbringt.
Schritt 3: Drehmoment des Ritzels berechnen
T = F × r = 20 N × 0,02 m = 0,4 N·m
Schritt 4: Drehmoment in linearen Schub umwandeln
Unter Berücksichtigung der kreisförmigen Eingriffsbeziehung zwischen Ritzel und Zahnstange wandelt das Ritzel das Drehmoment in eine lineare Kraft um, Kraft F = T ÷ r.
Das heißt, F = 0,4 ÷ 0,02 = 20 Newton (kehren Sie zum Anfangswert zurück und überprüfen Sie, ob er korrekt ist)
Schritt 5: Berücksichtigen Sie die Übertragungseffizienz (angenommen, sie beträgt 85 %)
Die tatsächliche Zahnstangen-Ausgangskraft beträgt: 20 N × 85 % ≈ 17 N
Der Einfluss von Zahnstangen- und Ritzelmaterialien auf die Drehmomentbelastbarkeit
Die Haltbarkeit vonZahnstangengetriebebestimmt direkt, ob das System Drehmomentstößen über einen längeren Zeitraum stabil standhalten kann. Gängige Materialien sind:
1. Hochfeste Stahllegierungen (wie 40Cr):wird für Ritzel verwendet, um großen Drehmomentstößen standzuhalten;
2. Vergütungsstahl oder Schmiedestahl:wird für Zahnstangenkörper verwendet, um Zug- und Druckbelastungen standzuhalten;
3. Oberflächenaufkohlungs- oder Nitrierbehandlung:erhöhen die Verschleißfestigkeit und verlängern die Lebensdauer des Eingriffs;
Die Materialauswahl spielt eine entscheidende Rolle für die maximale Drehmomentbelastung des Systems. Beispielsweise verfügt ein Ritzel aus hochfestem, einsatzgehärtetem Stahl über ein maximales Drehmoment von über 5 Nm und kann damit extremen Betriebsanforderungen gerecht werden.
Zahnstangengetriebe: Welche Probleme können durch zu geringes oder zu hohes Drehmoment entstehen?
1. Unzureichendes Drehmoment
•Langsame Lenkung und unempfindliche Reaktion;
•Unzureichende Kraft bei niedriger Geschwindigkeit oder beim Parken der Lenkung;
• Erhöhte Müdigkeit beim Fahren.
2. Übermäßiges Drehmoment
•Das Lenksystem ist zu empfindlich und kann leicht zu einem Kontrollverlust führen.
• Erhöhter Verschleiß von Zahnrädern und Zahnstangen;
•Ungleichmäßiges Eingreifen des Systems, ungewöhnliche Geräusche oder Blockierungen.
Daher muss bei der Konstruktion des Zahnstangengetriebesystems der Drehmomentbereich genau berechnet und angepasst werden, um sicherzustellen, dass er in einem angemessenen Bereich liegt.
Hochwertige Lenkgetriebe zu Großhandelspreisen
Suchen Sie hochwertige Servolenkungen zu günstigen Großhandelspreisen? Guangdong Diamond Auto Parts Co., Ltd. (DKM) ist ein führender Hersteller und Lieferant mit Sitz in China und bietet Lenksysteme für bekannte Automarken wie Toyota, Honda und Mitsubishi an. Unser Werk in Foshan ist mit modernsten Maschinen ausgestattet und gewährleistet so die Lieferung hochwertiger Produkte zu günstigen Preisen.
