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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Getriebes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
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Bei mechanischen Getrieben, insbesondere bei Lenkgetrieben für Kraftfahrzeuge, ist eine sehr präzise Führung bei Kraftübertragung und Momentenübertragung rotierender oder axial beweglicher Komponenten in einem Gehäuse erforderlich. Zur Realisierung dieser Präzision wird ebenso wie zur Gewährleistung der mechanischen und thermischen Anforderungen bei bekannten Getrieben hierfür ein metallischer Werkstoff eingesetzt. Um bei derartigen Getrieben Verspannungen und Fluchtungsfehler zu vermeiden, werden die erforderlichen Lagersitze, Dichtungsflächen und Befestigungspunkte auf Präzisions-Zerspanungsmaschinen angefertigt. Die Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugen und Bearbeitungsmaschinen sind insbesondere dann sehr hoch, wenn mindestens zwei Systemachsen lagerichtig zueinander positioniert werden müssen, wie es beim Eingriff einer Ritzelwelle in eine Zahnstange eines Lenkgetriebes auftritt.
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Andere Klassen von Getrieben, wie sie beispielsweise als Rädergetriebe oder Hebelgetriebe in Kraftfahrzeugtürschlössern Anwendung finden, weisen einen Grundkörper aus einem Kunststoff-Spritzgußmaterial auf, der Lager- und Befestigungspunkte als Einlegeteile umgibt. Vorteile sind hierbei die preiswerte Fertigung von Spritzgußteilen, bei denen eine spanende Bearbeitung entfällt. Für mechanisch und thermisch belastete Systeme, bei denen es zudem auf eine genaue Positionierung der Systemachsen zueinander ankommt, ist ein derartiges Herstellungsverfahren jedoch ungeeignet. Insbesondere beim Einsatz für Lenkgetriebegehäuse sind mit den üblichen Verfahren zur Kunststoffverarbeitung die erforderlichen Form- und Lagetoleranzen nicht einzuhalten.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fertigungsverfahren für Getriebe, insbesondere für Lenkgetriebe von Kraftfahrzeugen zu schaffen, bei dem im wesentlichen ohne nachteilige Beeinflussung der Form- und Lagetoleranzen der Systemachsen und der mechanischen und thermischen Belastbarkeit zumindest teilweise die spanende Bearbeitung entfallen kann. Weiter ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, das im Fertigungsaufwand und im Material kostengünstiger ist.
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Diese Aufgaben werden von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann ein Getriebe unter Ausnutzung der jeweils vorteilhaften Eigenschaften eines metallischen Werkstoffs und eines Kunststoffs gefertigt werden, weil die Gehäuseteile in einer Gießform relativ zueinander angeordnet werden und danach mittels Umspritzen mit einem Kunststoff eine unlösbare Verbindung zwischen den Gehäuseteilen angefertigt wird. Dabei können die Gehäuseteile an jeweils einer Stelle aus dem Formhohlraum herausragen und den Formhohlraum während des Gießvorgangs an dieser Stelle dichtend verschließen, so daß die Form relativ klein bleiben kann. Eine genaue Fixierung der Systemachsen relativ zueinander wird erreicht, wenn die Positionierung eines der Getriebeglieder im Bereich des Eingriffs über die Lagerung dieses Getriebegliedes in einem der jeweils anderen Baugruppe zugeordneten Lager erfolgt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Eingangswelle vor dem Umspritzen mit Kunststoff mit einem Lagerstumpf in ein der Ausgangsgruppe zugeordnetes Lager eingesetzt wird.
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Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Werkstoffverbund wird besonders haltbar, wenn die Eingangsbaugruppe und die Ausgangsbaugruppe des Getriebes vor dem Spritzgießvorgang auf eine erhöhte Temperatur, vorteilhaft oberhalb 100°C gebracht werden.
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Weil bei dem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe die Gehäuseteile durch einen aus Kunststoff gefertigten Gehäuseabschnitt unlösbar miteinander verbunden sind, wird das Gehäuse insgesamt leichter, von den Materialkosten her preiswerter und mit geringem Nachbearbeitungsaufwand gefertigt. Dabei wird der Gehäuseabschnitt nahezu im Endzustand gefertigt, wenn er in einem Spritzgießverfahren erzeugt wird. Vorteilhaft bei einem Lenkgetriebe ist weiter, wenn die Eingangsbaugruppe eine drehbar gelagerte Eingangswelle umfaßt, wobei die Lagerung der Eingangswelle in wenigstens zwei in dieser Baugruppe angeordneten Lagern erfolgt. Die Lager der Eingangswelle werden besonders präzise zueinander ausgerichtet, wenn sie in Lagersitzen in einer gemeinsamen Metallhülse angeordnet sind. Weiter wird eine gute Präzision bei der Ausrichtung der Getriebeachsen erreicht, wenn die Eingangswelle an einem freien Ende einen Lagerstumpf aufweist, der in einem in der Ausgangsbaugruppe vorgesehenen Lager gelagert ist.
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Die Gehäuseteile sind vorteilhaft jeweils in ihren mit dem Kunststoffgehäuseteil in Kontakt stehenden Bereichen mit einer Strukturierung versehen, die einen festen Verbund mit dem Kunststoff sichert, insbesondere mit Rippen und/oder Nuten, die Hinterschneidungen bilden.
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Wenigstens eins der Gehäuseteile ist vorteilhaft aus einer Aluminium-Silizium-Legierung angefertigt. Diese Legierungen sind geeignet, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehenden Materialspannungen zu minimieren.
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Das Gehäuse der Ausgangsbaugruppe kann im Falle einer Zahnstangenlenkung ein Zylinderrohr mit einer oder zwei angeschweißten Befestigungslaschen aufweisen. Ein derartiges Gehäuse ist ohne hohen Fertigungsaufwand als relativ einfaches Drehteil anzufertigen. Die Eingangsbaugruppe kann je nach Art der Kraftfahrzeuglenkung ein Hydraulikventil oder eine elektrische Motor/Getriebeeinheit als Servoantrieb umfassen. Sie kann aber auch lediglich eine Eingangswelle und die entsprechende Lagerung umfassen, beispielsweise für eine nicht servounterstützte Lenkung.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1: Ein erfindungsgemäß gefertigtes Lenkgetriebe in der Bauform einer hydraulischen Zahnstangen-Servolenkung;
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2: das Steuerventil der Servolenkung gemäß 1 in einem Querschnitt;
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3: eine elektrisch angetriebene Servolenkung mit durchgehendem, rohrförmigem Lenkungsgehäuse; sowie
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4: eine Servolenkung gemäß 3 mit einem größeren Anteil des Kunststoffgehäuses.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe am konkreten Beispiel einer hydraulischen Zahnstangen-Servolenkung veranschaulicht. Das Lenkgetriebe umfaßt ein Zylinderrohr 1 mit Befestigungslaschen 2, in dem eine Zahnstange 3 verschieblich gelagert ist. Das Zylinderrohr 1 umfaßt in an sich bekannter Weise einen hydraulischen Servoantrieb in Gestalt einer Kolben/Zylinder-Einheit, die über Anschlußleitungen 4, 5 mit Hydraulikfluid betrieben wird. Weiter umfaßt das Lenkgetriebe eine Eingangswelle 6, die im eingebauten Zustand mit einer Lenksäule und einem Lenkrad in Verbindung stehen sowie ein der Eingangswelle 6 zugeordnetes Hydraulikventil, das ausgangsseitig über die Anschlußleitungen 4 und 5 mit dem hydraulischen Servoantrieb und eingangsseitig über Hydraulikanschlüsse 7 mit einer Hydraulikpumpe, gegebenenfalls einem Druckspeicher und einem Vorratsbehälter verbunden ist. Weiter besitzt die Eingangswelle 6 im Bereich der Zahnstange 3 eine Ritzelverzahnung, die mit der Zahnstange 3 in an sich bekannter Weise in Eingriff steht. Ein Druckstück 8 hält den Eingriff der Eingangswelle 6 mit der Zahnstange 3 spielfrei.
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Das Zylinderrohr 1 endet der Eingangswelle 6 benachbart in einem außen profilierten Bereich 10 mit einem freien Ende 11, das von der Eingangswelle 6 beabstandet ist. Der strukturierte Bereich 10 des Zylinderrohres 1 ist von einem Spritzgußformteil 12 umgeben, das im Bereich 10 einen festen Materialverbund mit dem Zylinderrohr 1 eingeht. Das Kunststofformteil 12 umgibt weiter die Lagerung der Eingangswelle 6, das der Eingangswelle 6 zugeordnete Hydraulikventil sowie die Lagerung der Zahnstange 3 im Bereich des Druckstücks 8. Schließlich umfaßt das Kunststofformteil 12 ein mit eingegossenes Befestigungsauge 13 zur weiteren Befestigung des Lenkgetriebes. An dieser Seite des Lenkgetriebes tritt die Zahnstange 3 aus dem Kunststofformteil 12 in bekannter Weise aus, wobei wie auf der gegenüberliegenden Seite ein (an dieser Seite nicht dargestellter) Faltenbalg 14 das Lenkgetriebe gegen Staub abdichtet.
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Die Eingangswelle 6, ihre Lagerung und ein Metalleinsatz als gemeinsamer Lagersitz bilden im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Eingangsbaugruppe des Lenkgetriebes, während das Zylinderrohr 1, die Zahnstange 3 und die nicht dargestellte Lagerung der Zahnstange 3 im Zylinderrohr 1 eine Ausgangsbaugruppe des Lenkgetriebes bilden.
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Die Eingangswelle 6, die nicht notwendigerweise einstückig mit einem Lenkritzel sein muß, sondern auch wie bei herkömmlichen Drehschieberventilen zusammengesetzt sein kann, definiert hierbei eine Systemachse E der Eingangsbaugruppe. Die Zahnstange 3 definiert andererseits eine Systemachse A der Ausgangsbaugruppe.
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In der 2 ist der Bereich der Eingangswelle 6 nebst dazugehörigem Hydraulikventil in einem Querschnitt dargestellt. Zwei Kugellager 20, 21 sind mit ihren äußeren Lagerschalen in einem rohrförmigen Metalleinsatz 22 angeordnet, wobei die Eingangswelle 6 in den jeweiligen inneren Lagerschalen sitzt und somit gegenüber dem Metalleinsatz 22 drehbar gelagert ist. Der Metalleinsatz 22 ist dabei mit bekannter Präzision von Metallteilen auf dem Gebiet des Lenkungsbaus gefertigt, so daß die Lage der Eingangswelle 6 relativ zu dem Metallteil 22 mit ebenso hoher Präzision fixiert ist. Eine Hydraulikventilanordnung 23, die mit der Eingangswelle 6 verbunden ist und die mit der Anschlußleitung 4 in Verbindung steht, ist aus hydraulischen Zahnstangenlenkungen bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden. Eine zusätzliche Fixierung ihrer Lage erfährt die Welle 6 im Bereich eines Wellenstumpfes 24 durch ein ebenfalls vom Kunststofformteil 12 umgebenes Lager 25.
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Der Metalleinsatz 22 ist an seiner Außenseite mit einer Struktur in Gestalt von umlaufenden Rippen 26 und Nuten 27 versehen, die einen festen Materialverbund mit dem Kunststofformteil 12 gewährleisten.
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Der Metalleinsatz 22 ist mit einer Anzahl von Anschlußbohrungen für Hydraulikanschlüsse versehen, von denen eine Bohrung 28 in der 2 dargestellt ist. Die Hydraulikleitung 4 ist in die Anschlußbohrung 28 eingesetzt und entsprechend abgedichtet. Dabei ist in dem Kunststofformteil 12 eine ringförmige Hinterschneidung 29 vorgesehen, die mit einem entsprechenden scheibenförmigen Ansatz der Hydraulikleitung 4 eine einfach zu montierende und ohne Werkzeug unlösbare Schnappverbindung bildet. Diese Schnappverbindung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist, vereinfacht gegenüber herkömmlichen Montageverfahren für Hydraulikleitungen die Fertigung des Lenkgetriebes wesentlich.
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In der 3 ist ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe mit einem auf die Eingangswelle 6 wirkenden elektrischen Servoantrieb 30 dargestellt. Der Servoantrieb mit einem elektrischen Antriebsmotor 31 und einem Schneckentrieb 32 ist als solcher aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Zylinderrohr 1 in seiner gesamten Länge zwischen den Manschetten 14 als Metallrohr gefertigt. Im Bereich des Eingriffs zwischen der Zahnstange 3 und der Ritzelwelle 6 ist das Stahlrohr mit einer Aussparung versehen, in die die Eingangswelle 6 eingesetzt ist. Zur Verbindung der aus der Eingangswelle 6 und zwei Wälzlagern 33 und 34 bestehenden Getriebeeingangsbaugruppe mit der aus dem Zylinderrohr 1 und der Zahnstange 3 bestehenden Getriebeausgangsbaugruppe sind beide Baugruppen mit einem Kunststofformteil 35 umspritzt, das eine unlösbare Verbindung zwischen den beiden Baugruppen bildet.
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Die 4 zeigt schließlich ein Lenkgetriebe entsprechend der 3, bei dem das Zylinderrohr 1 in dem profilierten Bereich 10 mit der Stirnseite 11 endet. Das Kunststofformteil 12, das die Verbindung zwischen der Eingangsbaugruppe mit seiner Systemachse E und der Ausgangsbaugruppe mit seiner Systemachse A bewirkt, umfaßt bei dieser Ausführungsform auch die zweite Befestigungslasche 13 mit der eingelegten Metallhülse.
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Bei der Fertigung der in den Figuren dargestellten Lenkgetrieben werden zunächst separat voneinander die Eingangsbaugruppe mit der Eingangswelle 6, der entsprechenden Lagerung 20, 21; 33, 34 sowie die Ausgangsbaugruppe mit dem Zylinderrohr 1 und der Zahnstange 3 gefertigt. Diese Baugruppen werden dann mit der vorgesehenen Orientierung der Systemachsen E und A zueinander in eine Spritzgußform eingelegt, in der das Kunststofformteil 12 erzeugt wird. Die Strukturierungen 10 im Bereich des Zylinderrohrs 1 und die Rippen 26 und Nuten 27 im Bereich des Metalleinsatzes 22, sowie bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 entsprechenden nicht dargestellten Strukturierungen im Bereich der Eingangswellenlagerung, dienen dabei zur Bildung eines festen, unlösbaren Werkstoffverbundes zwischen dem Kunststofformteil 12 und den jeweiligen Metallteilen.
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Je nach Ausgestaltung des Fertigungsvorganges können die bewegliche Komponenten des Lenkgetriebes, also die Zahnstange 3 und die Eingangswelle 6, vor oder nach dem Umspritzen mit Kunststoff montiert werden. Das Kunststofformteil 12 kann, wie bei Spritzgußverfahren üblich, nahezu im Endbearbeitungszustand erstellt werden.
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Die mit dem Kunststofformteil 12 eine feste Verbindung eingehenden Metallteile sind vorzugsweise aus einer Aluminium-Silizium-Legierung gefertigt, die aufgrund ihres geringen Gewichts, der guten mechanischen Eigenschaften und dem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine sichere und auch thermisch belastbare Verbindung zwischen dem Kunststoffteil und dem Metallteil ermöglicht. Das Zylinderrohr 1 kann ebenso wie der Metalleinsatz 22 als relativ einfaches Drehteil auf Drehautomaten gefertigt werden. Hieraus ergibt sich gegenüber der konventionellen Fertigungstechnik von Aluminiumdruckgußteilen, die zur präzisen Orientierung der Systemachsen E und A auf Präzisionszerspanungsmaschinen bearbeitet werden müssen, ein erhebliches Einsparungspotential. Die Befestigungslaschen 2 können einfach an das Zylinderrohr 1 angeschweißt werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 kann die Servoantriebseinheit separat angefertigt werden, so daß zunächst nur das Zylinderrohr 1 mit dem Kunststofformteil 12, welches die eigentliche Ritzelwelle und deren Lagerung sowie Metallhülsen zur Positionierung der Lager umfaßt, als Kunststoff-Metall-Verbund gefertigt wird. Die Servoantriebseinheit wird dann später mit dem Kunststofformteil 12 im Bereich von mit eingespritzten Gewindeeinsätzen verschraubt. Neben den dargestellten Vorteilen während der Fertigung ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Lenkgetriebe in der Praxis eine geringere Körperschallabstrahlung des Getriebes. Außerdem wird bei ölgefüllten Getrieben wie z. B. einer hydraulischen Servolenkung die Betriebstemperatur schneller erreicht als bei herkömmlichen Lenkgetrieben.
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Die Gestaltung des Kunststofformteils 12 an sich ist dem Fachmann bekannt. Sie ist mit äußeren Verrippungen zur Versteifung auszuführen, wobei möglichst gleichmäßige Wandstärken ohne Materialanhäufungen anzustreben sind. Bei ausgedehnten Kunststofformteilen 12 ist auch zu gewährleisten, daß die axiale Schwindung bei der Abkühlung unproblematisch bleibt.
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Für den Spritzgießvorgang, mit dem das Kunststofformteil 12 gebildet wird, ist eine genaue Anpassung der Form an die metallischen Einlegeteile, also das Zylinderrohr 1 sowie den Metalleinsatz 22 vorteilhaft. Die Metallteile können aus der Spritzgußform herausragen, wenn sie zusammen mit der Spritzgußform eine ausreichende Dichtigkeit gewährleisten. Hier sollte eine Toleranz von etwa 0,01 mm im Bereich der entstehenden Kontaktfläche zwischen dem Einlegeteil 1, 22 und der Spritzgußform vorgesehen sein.
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Neben der beschriebenen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fertigung von Lenkgetrieben mit einem Gehäuse aus einem Metall-Kunststoff-Verbund können natürlich auch andere Getriebe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt werden, bei denen es auf eine präzise Orientierung von Systemachsen einer Eingangsbaugruppe und einer Ausgangsbaugruppe ankommt. Die beschriebenen Vorteile ergeben sich auch bei den anderen Getriebevarianten.
