Das Gerät, die Art und das Funktionsprinzip der Zahnstange

Die Zahnstange ist die Basis der Fahrzeuglenkung, mit der der Fahrer die Räder des Fahrzeugs in die gewünschte Richtung lenkt. Auch wenn Sie Ihr Auto nicht selbst reparieren, ist es hilfreich, die Funktionsweise der Zahnstange und dieses Mechanismus zu verstehen, denn wenn Sie seine Stärken und Schwächen kennen, können Sie einen Pkw oder Jeep vorsichtiger fahren und so seine Lebensdauer verlängern bis zur Reparatur.

Der Motor ist das Herzstück des Autos, aber es ist das Lenksystem, das bestimmt, wohin es fährt. Daher sollte jeder Autofahrer zumindest allgemein verstehen, wie die Zahnstange seines Autos aufgebaut ist und wozu sie dient.

Vom Paddel zur Zahnstange – die Evolution der Lenkung

In der Antike, als der Mensch gerade erst begonnen hatte, Land und Wasser zu erforschen, das Rad aber noch nicht zur Grundlage seiner Fortbewegung geworden war, wurden Flöße und Boote zu den wichtigsten Transportmitteln für den Warentransport über große Entfernungen (mehr als eine Tagesreise). Diese Fahrzeuge wurden auf dem Wasser gehalten und bewegten sich aufgrund verschiedener Kräfte. Um sie zu steuern, verwendeten sie das erste Steuergerät – ein ins Wasser abgesenktes Ruder, das sich am Heck des Floßes oder Bootes befand. Die Wirksamkeit eines solchen Mechanismus lag etwas über Null und es waren erhebliche körperliche Kräfte und Ausdauer erforderlich, um das Fahrzeug in die richtige Richtung zu lenken.

Da die Größe und Verdrängung von Schiffen zunahm, erforderte die Arbeit mit einem Steuerruder immer mehr körperliche Kraft. Deshalb wurde es durch ein Steuerrad ersetzt, das das Ruderblatt über ein Flaschenzugsystem drehte, d. h. es handelte sich um den ersten Steuermechanismus in Geschichte. Die Erfindung und Verbreitung des Rades führte zur Entwicklung des Landtransports, aber Tiere (Pferde oder Bullen) waren seine Hauptantriebskraft, daher wurde anstelle eines Kontrollmechanismus Training eingesetzt, das heißt, Tiere drehten sich für einige in die richtige Richtung Aktion des Fahrers.

Die Erfindung der Dampfanlage und des Verbrennungsmotors ermöglichte es, Zugtiere loszuwerden und Landfahrzeuge wirklich zu mechanisieren, woraufhin man sofort ein Lenksystem für sie erfinden musste, das nach einem anderen Prinzip funktioniert. Anfangs wurden die einfachsten Geräte verwendet, weshalb die Steuerung der ersten Autos enorme Körperkräfte erforderte, dann wurde nach und nach auf verschiedene Getriebe umgestellt, die die Drehkraft auf die Räder erhöhten, das Lenkrad jedoch zum Drehen zwangen intensiver.

Ein weiteres Problem des Lenkmechanismus, das gelöst werden musste, ist die Notwendigkeit, die Räder in unterschiedlichen Winkeln zu drehen. Die Flugbahn des innen liegenden Rads verläuft im Verhältnis zur Seitendrehung in einem kleineren Radius, das heißt, es muss stärker gedreht werden als das außen liegende Rad. Bei den ersten Autos war dies nicht der Fall, weshalb die Vorderräder viel schneller verschleißten als die Hinterräder. Dann gab es ein Verständnis für den Spurwinkel, außerdem war es möglich, ihn nach dem Prinzip der anfänglichen Abweichung der Räder voneinander bereitzustellen. Bei Geradeausfahrt hat dies nahezu keine Auswirkungen auf das Gummi, bei Kurvenfahrten erhöht es die Stabilität und Beherrschbarkeit des Fahrzeugs und verringert zudem den Reifenprofilverschleiß.

Das erste vollwertige Steuerelement war die Lenksäule (später wurde dieser Begriff nicht für das Getriebe, sondern für den Mechanismus verwendet, der den oberen Teil der Verbundlenkwelle hält), aber das Vorhandensein nur eines Zweibeins erforderte ein komplexes System dafür Übertragung der Drehkraft auf beide Räder. Der Höhepunkt der Entwicklung solcher Mechanismen war eine neue Art von Einheit, die sogenannte „Zahnstange“. Sie funktioniert ebenfalls nach dem Prinzip eines Getriebes, das heißt, sie erhöht das Drehmoment, überträgt aber im Gegensatz zu einer Säule die Kraft auf beide Vorderräder auf einmal.

Hauptgestaltung

Hier sind die wichtigsten Details, die der Zahnstangenanordnung zugrunde liegen:

• Antriebsrad;
• Gestell;
• Betonung (Klemmmechanismus);
• Gehäuse;
• Dichtungen, Buchsen und Staubbeutel.

Lenkgetriebe im Schnitt

Dieses Schema ist den Schienen jedes Wagens eigen. Daher beginnt die Antwort auf die Frage „Wie funktioniert die Zahnstange?“ immer mit dieser Liste, da sie den allgemeinen Aufbau der Einheit zeigt. Darüber hinaus wurden im Internet zahlreiche Fotos und Videos veröffentlicht, die sowohl das Aussehen des Blocks als auch sein Inneres zeigen und in die Liste aufgenommen wurden.

Ritzel

Bei diesem Teil handelt es sich um eine Welle mit schrägen oder geraden Zähnen, die an beiden Enden mit Lagern ausgestattet ist. Diese Konfiguration sorgt für eine konstante Position relativ zur Karosserie und zur Zahnstange in jeder Position des Lenkrads. Die Welle mit schrägen Zähnen steht in einem Winkel zur Schiene, wodurch sie deutlich in die geraden Zähne der Schiene eingreift. Die Welle mit geraden Zähnen wurde in Maschinen der 80er und 90er Jahre des letzten Jahrhunderts eingebaut, ein solches Teil ist einfacher herzustellen, aber seine Dauerleistungen sind viel kürzer. Obwohl das Funktionsprinzip von Stirn- und Schrägverzahnungen gleich ist, ist letzteres zuverlässiger und nicht anfällig für Blockierungen, weshalb es zum Hauptgetriebe in Lenkmechanismen geworden ist.

Bei allen Fahrzeugen, die seit dem letzten Jahrzehnt des letzten Jahrhunderts hergestellt wurden, sind nur Schrägwellen verbaut, dies reduziert die Belastung der Kontaktflächen und verlängert die Lebensdauer des gesamten Mechanismus, was besonders wichtig für Zahnstangen ist, die nicht damit ausgestattet sind ein hydraulischer (Servolenkung) oder elektrischer (EUR) Verstärker. Das Stirnradgetriebe war in der UdSSR und der Russischen Föderation beliebt, es wurde in die ersten Versionen der Lenkmechanismen von Fahrzeugen mit Frontantrieb eingebaut, im Laufe der Zeit wurde diese Wahl jedoch zugunsten eines Schrägverzahnungsgetriebes aufgegeben, weil ein solches Ein Getriebe ist zuverlässiger und erfordert weniger Kraftaufwand zum Drehen des Rads.

Der Durchmesser der Welle und die Anzahl der Zähne sind so gewählt, dass 2,5–4 Umdrehungen des Lenkrads erforderlich sind, um die Räder vollständig von der äußersten rechten in die äußerste linke Position und umgekehrt zu drehen. Eine solche Übersetzung sorgt für ausreichend Kraft auf die Räder und erzeugt zudem eine Rückmeldung, die es dem Fahrer ermöglicht, „das Auto zu spüren“, d. h. je schwieriger die Fahrbedingungen, desto mehr Kraft muss er aufbringen, um die Räder in die gewünschte Richtung zu drehen Winkel. Besitzer von Fahrzeugen mit Zahnstange, die ihr Auto lieber selbst reparieren möchten, posten oft Reparaturberichte im Internet und liefern ihnen detaillierte Fotos, auch vom Antriebsrad.

Das Antriebsrad ist über eine Gelenkwelle mit der Lenksäule verbunden. Dies ist ein Sicherheitselement und soll den Fahrer bei einem Aufprall davor schützen, dass das Lenkrad in die Brust stößt. Bei einem Aufprall klappt ein solcher Schaft zusammen und überträgt keine Kraft auf den Fahrgastraum, was in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts bei Autos ein ernstes Problem darstellte. Daher ist dieses Zahnrad bei Rechts- und Linkshändermaschinen unterschiedlich angeordnet, da sich die Zahnstange in der Mitte befindet und das Zahnrad an der Seite des Lenkrads, also am äußersten Rand des Geräts.

Reika

Die Zahnstange selbst ist eine runde Stange aus gehärtetem Stahl, an deren einem Ende sich Zähne befinden, die dem Antriebszahnrad entsprechen. Im Durchschnitt beträgt die Länge des Getriebeteils 15 cm, was ausreicht, um die Vorderräder von der äußersten rechten in die äußerste linke Position und umgekehrt zu drehen. An den Enden oder in der Mitte der Schiene werden Gewindelöcher zur Befestigung von Lenkstangen gebohrt. Wenn der Fahrer das Lenkrad dreht, bewegt das Antriebszahnrad die Zahnstange in die entsprechende Richtung, und dank eines relativ großen Übersetzungsverhältnisses kann der Fahrer die Richtung des Fahrzeugs bis auf Bruchteile eines Grads korrigieren.

Lenkgetriebe

Für den effektiven Betrieb eines solchen Mechanismus wird die Schiene mit einer Hülse und einem Klemmmechanismus fixiert, der eine Bewegung nach links und rechts ermöglicht, aber eine Bewegung vom Antriebsrad weg verhindert.

Klemmmechanismus

Beim Fahren auf unebenem Gelände erfährt das Lenkgetriebe (Zahnstangen-Ritzel-Paar) Belastungen, die dazu neigen, den Abstand zwischen beiden Elementen zu verändern. Eine starre Fixierung der Zahnstange kann dazu führen, dass sie sich verkeilt und das Lenkrad nicht mehr gedreht und somit kein Manöver durchgeführt werden kann. Daher ist eine starre Fixierung nur auf einer vom Antriebsrad entfernten Seite des Gerätekörpers zulässig, auf der anderen Seite gibt es jedoch keine starre Fixierung, und die Zahnstange kann ein wenig „spielen“ und sich relativ zum Antriebsrad verschieben. Dieses Design sorgt nicht nur für ein geringes Spiel, das ein Verkeilen des Mechanismus verhindert, sondern erzeugt auch eine stärkere Rückmeldung, sodass die Hände des Fahrers die Straße besser spüren können.

Das Funktionsprinzip des Klemmmechanismus ist wie folgt: Eine Feder drückt die Zahnstange mit einer bestimmten Kraft gegen das Zahnrad und sorgt so für einen engen Eingriff der Zähne. Die von den Rädern übertragene Kraft, die die Zahnstange auf das Zahnrad drückt, wird von beiden Teilen problemlos übertragen, da sie aus gehärtetem Stahl bestehen. Aber die Kraft, die in die andere Richtung gerichtet ist, also beide Elemente voneinander wegbewegt, wird durch die Steifigkeit der Feder kompensiert, sodass sich die Zahnstange leicht vom Zahnrad wegbewegt, was jedoch keinen Einfluss auf den Eingriff beider Teile hat.

Mit der Zeit verliert die Feder dieses Mechanismus an Steifigkeit und ein Einsatz aus weichem Metall oder haltbarem Kunststoff schleift an der Schiene, was zu einer Verschlechterung der Presseffizienz des Zahnstangen-Zahnrad-Paares führt. Wenn die Teile in gutem Zustand sind, wird die Situation durch Anziehen korrigiert, indem die Feder mit einer Mutter gegen die bewegliche Stange gedrückt und die richtige Klemmkraft wiederhergestellt wird. Autoreparaturspezialisten veröffentlichen in ihren Berichten häufig Fotos sowohl von beschädigten Teilen dieses Mechanismus als auch von Streben, die dann auf verschiedenen Automobilportalen veröffentlicht werden. Wenn der Verschleiß der Teile einen gefährlichen Wert erreicht hat, werden diese durch neue ersetzt und so die normale Funktion des gesamten Mechanismus wiederhergestellt.

Gehäuse

Der Körper des Geräts besteht aus einer Aluminiumlegierung und ist außerdem mit Versteifungen ausgestattet, wodurch das Gewicht so weit wie möglich reduziert werden konnte, ohne an Festigkeit und Steifigkeit einzubüßen. Die Festigkeit der Karosserie reicht aus, um sicherzustellen, dass die beim Fahren auftretenden Belastungen, auch auf unebenem Gelände, ihr keinen Schaden zufügen. Gleichzeitig gewährleistet die Gestaltung des Innenraums der Karosserie den effizienten Betrieb des gesamten Lenkmechanismus. Außerdem verfügt die Karosserie über Löcher zur Befestigung an der Karosserie, wodurch alle Lenkelemente zusammengeführt werden und deren koordinierte Arbeit gewährleistet wird.

Dichtungen, Buchsen und Staubbeutel

Die zwischen Körper und Schiene eingebauten Buchsen weisen eine hohe Verschleißfestigkeit auf und sorgen zudem für eine leichte Bewegung der Stange im Inneren des Körpers. Öldichtungen schützen den geschmierten Bereich des Mechanismus, also den Raum um das Antriebsrad, verhindern den Verlust von Schmiermittel und isolieren ihn außerdem vor Staub und Schmutz. Staubbeutel schützen exponierte Bereiche des Körpers, durch die die Spurstangen verlaufen. Je nach Maschinenmodell werden sie an den Enden oder in der Mitte der Schiene befestigt, in jedem Fall sind es die Staubbeutel, die die offenen Bereiche der Karosserie vor Staub und Schmutz schützen.

Modifikationen und Typen

Obwohl der Rechen zu Beginn seines Erscheinens der beste Lenkmechanismus war, veranlasste die Entwicklung der Technologie die Hersteller dazu, dieses Gerät weiter zu modifizieren. Da sich die Hauptmechanismen seit dem Erscheinen des Geräts sowie das Design und das Funktionsschema nicht geändert haben, haben die Hersteller ihre Bemühungen darauf gerichtet, die Effizienz durch den Einbau verschiedener Verstärkergeräte zu verbessern.

Beim ersten handelte es sich um einen hydraulischen Verstärker, dessen Hauptvorteil in der Einfachheit der Konstruktion bei extremer Genauigkeit für den ordnungsgemäßen Betrieb lag, da die Zahnstangen mit Servolenkung bei hohen Motordrehzahlen keine Drehung bis zum maximalen Winkel tolerierten. Der Hauptnachteil der Servolenkung war die Abhängigkeit vom Motor, da an diesem die Einspritzpumpe angeschlossen ist. Das Funktionsprinzip dieser Vorrichtung besteht darin, dass beim Drehen des Lenkrads der Hydraulikverteiler einer der beiden Kammern Flüssigkeit zuführt, die Flüssigkeitszufuhr jedoch stoppt, wenn die Räder die entsprechende Drehung erreichen. Dank dieses Schemas wird die zum Drehen der Räder erforderliche Kraft ohne Verlust der Rückmeldung reduziert, d. h. der Fahrer lenkt effektiv und spürt die Straße.

Der nächste Schritt war die Entwicklung einer elektrischen Zahnstange (EUR), allerdings sorgten die ersten Modelle dieser Geräte für große Kritik, da es häufig zu Fehlalarmen kam, wodurch sich das Auto während der Fahrt spontan drehte. Schließlich spielte ein Potentiometer die Rolle des Verteilers, der aus verschiedenen Gründen nicht immer die richtigen Informationen lieferte. Im Laufe der Zeit wurde dieser Mangel fast vollständig behoben, wodurch die Zuverlässigkeit der Steuerung des EUR der der Servolenkung in nichts nachsteht. Einige Autohersteller setzen bereits auf eine elektrische Servolenkung, die die Vorteile elektrischer und hydraulischer Geräte vereint, aber auch deren Nachteile vermeidet.

Daher wurde heute folgende Einteilung in Zahnstangentypen übernommen:

• einfach (mechanisch) – wird aufgrund der geringen Effizienz und der Notwendigkeit, große Anstrengungen zu unternehmen, um die Räder an Ort und Stelle zu drehen, fast nie verwendet;
• mit hydraulischem Verstärker (hydraulisch) – gehören aufgrund ihres einfachen Designs und ihrer hohen Wartungsfreundlichkeit zu den beliebtesten, aber der Verstärker funktioniert nicht, wenn der Motor ausgeschaltet ist;
• mit elektrischem Booster (elektrisch) – sie gehören auch zu den beliebtesten und ersetzen nach und nach Einheiten mit Servolenkung, da sie auch bei ausgeschaltetem Motor funktionieren, obwohl das Problem des zufälligen Betriebs noch nicht vollständig beseitigt ist;
• mit elektrischem hydraulischem Verstärker, die die Vorteile beider Vorgängertypen vereinen, d. h. sie funktionieren auch bei abgestelltem Motor und „erfreuen“ den Fahrer nicht mit zufälligen Fahrten.

Lenkgetriebe mit EUR

Dieses Klassifizierungsprinzip ermöglicht es dem Besitzer oder potenziellen Käufer eines Pkw, alle Vor- und Nachteile der Lenkung eines bestimmten Modells sofort einzuschätzen.

Austauschbarkeit

Autohersteller stellen fast nie Zahnstangenlenkungen her, mit Ausnahme von AvtoVAZ, aber selbst dort wurden diese Arbeiten an Partner übertragen. Daher ist es bei schwerwiegenden Mängeln an dieser Einheit und bei unrentablen Reparaturen erforderlich, nicht nur die auszuwählen Modell, sondern auch der Hersteller dieses Mechanismus. Einer der Marktführer in diesem Markt ist ZF, das sich auf die Herstellung aller Arten von Aggregaten spezialisiert hat, vom Automatikgetriebe bis zum Lenkgetriebe. Anstelle der ZF-Schiene kann man auch ein günstiges chinesisches Analogon nehmen, da Schaltung und Abmessungen gleich sind, es aber im Gegensatz zum Originalgerät nicht lange hält. Oft sind Autos, die älter als 10 Jahre sind, mit einer Schiene anderer Hersteller ausgestattet, was durch im Internet veröffentlichte Fotos ihrer Markierungen bestätigt wird.

Oftmals montieren Werkstatthandwerker Zahnstangen ausländischer Autos, zum Beispiel verschiedener Toyota-Modelle, an inländischen Autos. Ein solcher Austausch erfordert eine teilweise Änderung der Rückwand des Motorraums, aber das Auto erhält eine viel zuverlässigere Einheit, die AvtoVAZ-Produkte in jeder Hinsicht übertrifft. Wenn die Schiene aus dem gleichen „Toyota“ auch mit einem elektrischen oder hydraulischen Verstärker ausgestattet ist, dann kommt selbst der alte „Neun“ plötzlich in puncto Komfort deutlich an ausländische Autos der gleichen Zeit heran.

Hauptfehler

Die Zahnstangenkonstruktion ist so ausgelegt, dass dieser Mechanismus zu den zuverlässigsten im Auto gehört und die meisten Fehlfunktionen entweder mit dem Verschleiß (Beschädigung) von Verbrauchsmaterialien oder mit Verkehrsunfällen, also Unfällen oder Unfällen, verbunden sind. Am häufigsten müssen Mechaniker Staubbeutel und Dichtungen sowie verschlissene Zahnstangen und Antriebsräder austauschen, deren Laufleistung Hunderttausende Kilometer übersteigt. Außerdem müssen Sie den Klemmmechanismus regelmäßig festziehen, was auf das Schema des Lenkmechanismus zurückzuführen ist, aber dieser Vorgang erfordert keinen Austausch von Teilen. Wesentlich seltener muss das durch einen Unfall gesprungene Gehäuse dieser Einheit ausgetauscht werden. In diesem Fall werden die funktionsfähige Schiene, das Getriebe und der Klemmmechanismus auf das Spendergehäuse übertragen.

Häufige Gründe für die Reparatur dieses Knotens sind:

• Lenkspiel;
• Klopfen beim Fahren oder Abbiegen;
• zu leichte oder straffe Lenkung.

Diese Mängel sind auf den Verschleiß der Hauptkomponenten der Zahnstange zurückzuführen und können daher auch auf Verbrauchsmaterialien zurückgeführt werden.

Wo befindet sich

Um zu verstehen, wo sich die Zahnstange befindet und wie sie aussieht, stellen Sie das Auto auf eine Hebebühne oder Überführung, öffnen Sie dann die Motorhaube und drehen Sie die Räder in eine beliebige Richtung, bis sie anhalten. Folgen Sie dann der Richtung, in die die Lenkstangen führen. Hier befindet sich dieser Mechanismus, ähnlich einem gerippten Aluminiumrohr, auf den die Kardanwelle der Lenkwelle passt. Wenn Sie keine Erfahrung in der Autoreparatur haben und nicht wissen, wo sich dieser Knoten befindet, schauen Sie sich die Fotos und Videos an, in denen die Autoren die Position der Schiene in ihren Autos zeigen und auch die bequemsten Möglichkeiten, darauf zuzugreifen: Dies erspart Ihnen viele Fehler, darunter auch solche, die zu Verletzungen führen.

Siehe auch: Lenkungsdämpfer - Zweck und Einbauregeln

Unabhängig von Modell und Baujahr befindet sich dieser Mechanismus immer an der Rückwand des Motorraums, sodass er von der Seite des umgedrehten Rads aus sichtbar ist. Für eine Reparatur oder einen Austausch ist es bequemer, von oben durch Öffnen der Motorhaube oder von unten durch Entfernen des Motorschutzes dorthin zu gelangen. Die Wahl des Zugangspunkts hängt vom Modell und der Konfiguration des Fahrzeugs ab.

Abschluss

Die Zahnstange ist die Basis der Fahrzeuglenkung, mit der der Fahrer die Räder des Fahrzeugs in die gewünschte Richtung lenkt. Auch wenn Sie Ihr Auto nicht selbst reparieren, ist es hilfreich, die Funktionsweise der Zahnstange und dieses Mechanismus zu verstehen, denn wenn Sie seine Stärken und Schwächen kennen, können Sie einen Pkw oder Jeep vorsichtiger fahren und so seine Lebensdauer verlängern bis zur Reparatur.

So ermitteln Sie die Fehlfunktion der Zahnstange - Video