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Die Erfindung betrifft ein Riemenrad für die Übermaßmontage auf einer Kugelgewindemutter, insbesondere auf einer Kugelgewindemutter, wie sie in Kugelgewindetrieben von Kraftfahrzeug-Lenkungen Verwendung findet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Riemenrad und einer Kugelgewindemutter.
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Aus
DE 103 47 100 A1 ist eine drehfeste Welle-Nabe-Verbindung bekannt, die mittels Aufbringung eines Innenhochdrucks in der als Hohlkörper gestalteten Welle durch plastische Verformung der Welle ausgebildet wird. Um die plastische Verformung zu erleichtern, sind die Welle und/oder die Nabe mit einer Wandstärkenreduzierung versehen. Dazu wird unter anderem vorgeschlagen, gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausnehmungen in der Nabe vorzusehen.
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Aus
DE 10 2007 051 780 A1 ist ein Umschlingungsrad für einen Endlosantrieb mit einem eine Drehachse aufweisenden Radelement bekannt, das mindestens einen unrunden Mantelflächenabschnitt aufweist und ein radial flexibles Ringelement für einen An- oder Abtrieb eines Umschlingungsmittels trägt. Das Umschlingungsrad ist mit einer Verstelleinrichtung versehen, mittels welcher das Radelement relativ zum Ringelement um die Drehachse winkelverstellbar ist. Zum Herstellen der erforderlichen Verbindung zwischen einer Welle und dem Tragrad bzw. dem Radelement macht die
DE 10 2007 051 780 A1 keine Angaben.
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Aus
DE 10 2008 049 116 A1 ist ein Kugelgewindetrieb und eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit einem solchen Kugelgewindetrieb bekannt. Der Kugelgewindetrieb soll besonders einfach zu montieren sein und ein nur geringes Bauteilgewicht aufweisen. Dazu ist eine Kugelrückführungseinrichtung mit einem speziell ausgebildeten Kugelrückführungskanal vorgesehen.
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Aus
DE 10 2008 014 402 A1 ist eine elektromechanische Lenkung mit zwei Riemenrädern bekannt, bei welcher mindestens ein Riemenrad einen Außenring und einen Innenring aufweist, der Innenring in dem Außenring angeordnet und vollumfänglich von diesem beabstandet ist und ein Dämpfungsmedium in einem zwischen dem Außenring und dem Innenring gebildeten Raum angeordnet ist, welches den Außenring drehelastisch mit dem Innenring koppelt.
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Aus
DE 10 2010 046 613 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt, bei welchem ein Riemenrad und eine auf einer Schubstange gelagerte Kugelgewindemutter drehfest miteinander verbunden sind. Dazu sind auf der Außenseite der Kugelgewindemutter eine längs zur Achse der Schubstange verlaufende Mantelnut und auf der Innenseite des Riemenrades eine gegenüberliegend angeordnete Nabennut ausgebildet. Ferner ist ein Stift derart zwischen der Mantelnut und der Nabennut angeordnet, dass ein Formschluss zwischen der Kugelgewindemutter und dem Riemenrad hergestellt ist. Das in
DE 10 2010 046 613 A1 beschriebene und gezeigte Riemenrad weist in seinem an die Kugelgewindemutter angrenzenden Bereich (Nabe) zwei Ausnehmungen auf. Sie dienen als Aussparungen zur Anordnungen für Kugelrückführeinrichtungen, insbesondere solche wie in der oben erwähnten
DE 10 2008 049 116 A1 beschrieben. Die Ausnehmungen haben den Nachteil, dass sich der Außendurchmesser des Riemenrades beim Aufpressen ungleichmäßig verändert. Er vergrößert sich in sich radial erstreckenden Bereichen ohne Ausnehmungen, und er verkleinert sich in sich radial erstreckenden Bereichen mit Ausnehmungen. Dies führt zu einer Unrundheit des Riemenrades nach der Montage, wodurch die Trumkraftschwankungen im über das Riemenrad geführten Riemen (insbesondere Zahnriemen) erhöht werden und sich somit mechanische und akustische Nachteile ergeben. Sämtliche in
DE 10 2010 046 613 A1 und
DE 10 2010 046 613 A1 beschriebenen Merkmale sollen auch insofern Bestandteil dieser Anmeldung sein, als auf diese zur Konkretisierung der Erfindung zurückgegriffen werden kann. Auf die genannten Offenbarungen wird daher hiermit ausdrücklich verwiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Riemenrad und ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Riemenrad und einer Kugelgewindemutter zur Verfügung zu stellen, welche zu verbesserten Rundheitseigenschaften des Riemenrades nach dem Aufpressen auf eine Kugelgewindemutter führen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 12.
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Ein erfindungsgemäßes Riemenrad zur spielfreien Übermaßmontage auf einer Kugelgewindemutter umfasst einen hohlzylindrischen Grundkörper mit einem Nabenbereich mit einem Innendurchmesser dN und einer Lauffläche mit einem Außendurchmesser DL, wobei in dem Nabenbereich mindestens eine, sich radial erstreckende Ausnehmung mit einer radialen Längenausdehnung IA ausgebildet ist. Dabei ist ausgehend von der mindestens einen Ausnehmung in Umfangsrichtung mindestens eine Freimachung derart ausgebildet, dass zwischen der Freimachung und dem Nabenbereich ein Steg gebildet ist, dessen radiale Längenausdehnung IS kleiner ist als die Längenausdehnung IA der Ausnehmung. Mit einem erfindungsgemäßen Riemenrad kann der vorstehend beschriebene Nachteil, dass sich ein Riemenrad beim Aufpressen auf eine Kugelgewindemutter ungleichmäßig verformt, vermieden werden, indem durch die Anordnung einer oder mehrerer Freimachungen das Riemenrad so gestaltet wird, dass eine Rundheit der Lauffläche trotz einer plastischen Verformung beim Aufpressen erhalten bleibt. Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Riemenrades hat den weiteren Vorteil, dass etwaige, beim Aufpressen entstehende Risse sich aufgrund der Freimachung(en) nicht weiter in Richtung Lauffläche ausdehnen. Die sich durch die Freimachungen zwischen dem Nabenbereich und den Freimachungen ergebenden Stege können daher als Sollbruchstellen angesehen werden, die einem vollständigen Versagen des Riemenrades durch Verringerung der Rissausbreitung entgegenwirken. Riemenräder, in denen beim Aufpressen Risse entstehen sollten, sind daher mit höherer Wahrscheinlichkeit noch mit Einschränkungen funktionsfähig.
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Alternativ oder in Ergänzung zu der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Gestaltung eines Riemenrades wird auf das erfindungsgemäße Verfahren verwiesen, gemäß welchem zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Riemenrad und einer Kugelgewindemutter mittels einer spielfreien Übermaßmontage das Riemenrad derart unrund gefertigt wird, dass mittels einer beim Aufpressen entstehenden plastischen Verformung des Riemenrades eine verbesserte Rundheit erzielt wird. Es wird daher auch Schutz beansprucht für Riemenräder, die gezielt derart unrund hergestellt werden, dass die Rundheit durch den Aufpressvorgang auf eine Kugelgewindemutter verbessert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einem ersten Schritt ein Riemenrad mit einer im wesentlichen kreisrunden Form hergestellt und dessen Rundheitswert bestimmt wird, in einem zweiten Schritt das Riemenrad auf eine Kugelgewindemutter aufgepresst und der resultierende Rundheitswert bestimmt wird und in einem dritten Schritt die Form zur Herstellung des Riemenrades, iterativ oder rechnerisch, so modifiziert wird, dass die beim Aufpressen auftretende plastische Verformung den Rundheitswert des Riemenrades verbessert.
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Durch die Ausbildung von ein oder mehreren Freimachungen soll einer Beeinflussung der Rundheit des Riemenrades, insbesondere im Bereich der Lauffläche, bestmöglich entgegengewirkt werden. In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Riemenrades erstreckt sich die Freimachung über einen Winkelbereich αF von 30° bis 330°.
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Falls zwei Ausnehmungen im Nabenbereich vorhanden sind, was in der Praxis häufig der Fall ist, ist ein Winkelbereich αF von 45° bis 160° bevorzugt. Weiter bevorzugt ist ein Winkelbereich αF von 60° bis 120°.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Riemenrades ist zwischen einer Freimachung und einer Ausnehmung ein Verbindungbereich mit einer Materialanhäufung vorgesehen. Darunter ist ein Verbindungsbereich zu verstehen, dessen Wandstärke im Vergleich zu mindestens einem anderen angrenzenden Bereich vergrößert ist. Ein solcher Verbindungsbereich ist vorzugsweise ein Knoten einer Fachwerkstruktur, der einen hohen Anteil der Kräfte aufnimmt und in eine tragende Struktur verteilt. Derartige Materialanhäufungen sind bevorzugt mittig zwischen einer Freimachung und einer Ausnehmung angeordnet. Besonders bevorzugt füllen die Materialanhäufungen den Verbindungsbereich vollständig aus, d. h. sie erstrecken sich von einer Freimachung bis zu einer Ausnehmung.
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Wenn sich von einem Verbindungsbereich zwischen einer Freimachung und einer Ausnehmung mindestens eine Verstärkungsrippe nach außen zur Lauffläche erstreckt, ergibt sich in diesem Bereich des Riemenrades eine besondere Stabilität. Diese Stabilität hat Vorteile in Bezug auf die Erhaltung der Rundheit des Riemenrades beim Aufpressen. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die Lauffläche des Riemenrades.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn an einem erfindungsgemäßen Riemenrad mehrere Materialanhäufungen und/oder Verstärkungsrippen ausgebildet sind und diese über Verbindungsrippen miteinander verbunden sind. Solche Verbindungsrippen sind vorzugsweise kreisbogenförmig ausgebildet.
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Alternativ oder in Ergänzung zu Vorstehendem kann an einem erfindungsgemäßen Riemenrad eine Verstärkungsrippe oder Verbindungsrippe, insbesondere eine kreisbogenförmig ausgebildete Verstärkungsrippe oder Verbindungsrippe, zumindest teilweise die außenseitige Begrenzung der Freimachung(en) und/oder der Ausnehmung(en) bilden. Die vorstehend genannten ringförmigen Strukturen haben den Vorteil, dass beim Aufpressen des Riemenrades auf eine Kugelgewindemutter auftretende Spannungen, die in der Regel lokal auftreten, über die Ringstruktur in Umfangsrichtung verteilt und somit materialschonend abgebaut werden können. Diese Spannungsverteilung begünstigt wiederum die Erhaltung der Rundheit des Riemenrades beim Aufpressen.
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Gemäß einer weiteren praktischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Riemenrades sind zwei oder mehr Verstärkungsrippen so ausgebildet, dass diese strahlenförmig nach außen zur Lauffläche führen, d. h. sie führen von einem gemeinsamen Verbindungsbereich aus in Richtung der Lauffläche und entfernen sich in radialer Richtung voneinander.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Riemenrades sind die von dem Verbindungsbereich zwischen einer Freimachung und einer Ausnehmung zur Lauffläche führenden Verstärkungsrippen so angeordnet, dass in jedem Winkelsegment der Lauffläche von 90° mindestens zwei Verstärkungsrippen an die Lauffläche angrenzen. Vorzugsweise grenzen in einem Winkelsegment von 90° drei Verstärkungsrippen an die Lauffläche an.
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Die Erhaltung der Rundheit beim Aufpressen eines erfindungsgemäßen Riemenrades auf eine Kugelgewindemutter kann weiter verbessert werden, wenn ausgehend von der sich radial erstreckenden Ausnehmung im Nabenbereich in radialer Richtung eine weitere Freimachung im Bereich zwischen der Ausnehmung und der Lauffläche ausgebildet ist. Eine derartige, zusätzliche Freimachung ist vorzugsweise in jedem Bereich zwischen einer Ausnehmung und der Lauffläche ausgebildet. Damit wird zusätzlich im Bereich der Ausnehmung(en) einer Rissausbreitung bis zur Lauffläche entgegengewirkt.
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Vorstehend beschriebene Freimachungen zwischen der Ausnehmung und der Lauffläche des Riemenrades sind bevorzugt innerhalb des Winkelsegments αA der Ausnehmung ausgebildet.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Riemenscheibe ist in Bereichen des Nabenbereichs, in denen der Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser dN, in radialer Richtung außenseitig mindestens eine Freimachung ausgebildet. Dies sind in der in den Figuren gezeigten Ausführungsform die Bereiche des Nabenbereichs mit Nuten bzw. die Bereiche mit Ausnehmungen für Kugel rückführungseinrichtungen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Riemenrades ist in axialer Richtung der Lauffläche auf einer Seite eine Bordscheibe mit einem Außendurchmesser DB ausgebildet, der größer ist als der Außendurchmesser der Lauffläche DL und auf der anderen Seite ein Absatz als Bordscheibensitz mit einem Außendurchmesser DA, der kleiner ist als der Außendurchmesser DL der Lauffläche. Dabei sind Verstärkungsrippen und Materialanhäufungen nur auf der zur Bordscheibe weisenden Seite ausgebildet. Die zum Absatz weisende Seite des Riemenrades weist in diesem Fall vorzugsweise eine im Wesentlichen ebene, sich radial erstreckende Oberfläche auf.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Riemenrades in einer Vorderansicht und
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2 eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Riemenrades in einer Rückansicht.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Riemenrad 10 mit einem Nabenbereich 12 und einer Lauffläche 14. Die Lauffläche 14 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Verzahnung 16 auf. Der Nabenbereich 12 weist einen Innendurchmesser dN auf, die Lauffläche 14 weist einen Außendurchmesser DL auf. Mit dem Außendurchmesser DL ist vorliegend der Kopfkreisdurchmesser gemeint.
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In den Nabenbereich 12 wird zur Verbindung des Riemenrades mit einer nicht dargestellten Kugelgewindemutter die Kugelgewindemutter eingepresst. Das Einpressen dient im Wesentlichen dazu, dass das Riemenrad 10 auf der Kugelgewindemutter zentriert wird.
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In dem Nabenbereich sind vier sich axial erstreckende Nuten 18 mit im Wesentlichen halbkreisförmigem Profil ausgebildet, welche in bekannter Art und Weise dazu dienen, zylindrische Federstifte aufzunehmen und so einen zusätzlichen Formschluss zwischen dem Riemenrad 10 und der Kugelgewindemutter herzustellen. Dazu weist die Kugelgewindemutter in ihrer zylindrischen Mantelfläche ebenfalls vier im Profil halbkreisförmig ausgebildete, axial verlaufende Nuten 18 auf, die beim Aufpressen des Riemenrades 10 gegenüberliegend angeordnet werden.
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Aufgrund der im Wesentlichen kreisförmigen Durchmesser dN und DL, welche die jeweils größte axiale Erstreckung des Riemenrades 10 auf dessen Innenseite bzw. auf dessen Außenseite aufweisen, kann der Grundkörper 20 des erfindungsgemäßen Riemenrades 10 als hohlzylindrisch bezeichnet werden.
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Auf der in 2 dem Betrachter zugewandten Seite der Lauffläche 14 schließt sich in axialer Richtung ein Absatz 22 mit einem gegenüber der Lauffläche 14 kleineren Durchmesser DA an. In der gegenüberliegenden Richtung schließt sich in axialer Richtung an die Lauffläche 14 eine Bordscheibe 24 mit einem gegenüber der Lauffläche 14 größeren Durchmesser DB an.
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In dem Nabenbereich 12 sind zwei im Profil v-förmige Ausnehmungen 26 für nicht dargestellte Kugelrückführungseinrichtungen ausgebildet. Die Ausnehmungen 26 weisen – ausgehend von der virtuell erweiterten kreisförmigen Kontur des Nabenbereichs 12 eine radiale Längenerstreckung IA auf.
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Wie insbesondere in 1 erkennbar ist, sind ausgehend von den Ausnehmungen 26 in Umfangsrichtung in dem Bereich zwischen den Ausnehmungen 26 Freimachungen 28 ausgebildet. Diese Freimachungen 28 der gezeigten Ausführungsform erstecken sich in Umfangsrichtung über einen Winkel von αF = 90°. Die Freimachungen 28 sind jeweils durch einen Steg 30 von dem Nabenbereich 12 getrennt. Der Steg 30 weist eine im Wesentlichen konstante Breite auf und bildet im Wesentlichen die innenseitig angrenzende Kontur des Nabenbereichs 12 ab. Die Breite des Steges 30, welche in der 1 als radiale Länge IS eingetragen ist, ist in der gezeigten Ausführungsform erkennbar kleiner als die radiale Längenerstreckung IA der Ausnehmung 26. Sie entspricht in etwa 70% des Maßes IA. Außenseitig sind die Freimachungen 28 im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet. Die jeweilige Innenseite und Außenseite der Freimachungen 28 sind über eine halbkreisförmige Verbindungskontur miteinander verbunden.
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Bereiche, die in Umfangsrichtung zwischen Freimachungen 28 und den beiden Ausnehmungen 26 liegen, werden nachfolgend als Verbindungsbereiche 32 bezeichnet. In der gezeigten Ausführungsform gibt es vier derartige Verbindungsbereiche 32. In den Verbindungsbereichen 32 sind Materialanhäufungen vorgesehen, d. h. die Materialstärke in den Verbindungsbereichen 32 ist gegenüber anderen benachbarten Bereichen vergrößert. Sie ist in der gezeigten Ausführungsform größer als die Materialstärke der Stege 30. Von jedem Verbindungsbereich 32 führen in der gezeigten Ausführungsform jeweils drei Verstärkungsrippen 34 mit gleicher Materialstärke strahlenförmig nach außen zur Lauffläche 14.
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Wie in 1 zu erkennen ist, sind in Umfangsrichtung benachbarte Verbindungsbereiche 32 über im Wesentlichen kreisbogenförmige Verbindungsrippen 36 miteinander verbunden. Die kreisbogenförmigen Verbindungsrippen 36 bilden dabei die außenseitige Begrenzung der Freimachungen 28 und der Ausnehmungen 26. Die Verbindungsbereiche 32 bilden zusammen mit den kreisbogenförmigen Verbindungsrippen 36 eine ringförmige Verstärkungsstruktur.
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Ausgehend von den beiden Ausnehmungen 26 ist zwischen der jeweiligen Ausnehmung 26 und der in radialer Richtung folgenden Lauffläche 14 jeweils eine weitere Freimachung 38 ausgebildet. Diese Freimachungen 38 liegen innerhalb des durch die Breite der Ausnehmungen 26 vorgegebenen Winkelbereichs αA, der vorliegend ca. 30° beträgt.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ergeben sich zwischen den Verstärkungsrippen 34, den Verbindungsrippen 36, der seitlichen Begrenzung der Lauffläche 14 und dem sich radial erstreckenden Bereich der Bordscheibe 24 drei- bzw. viereckige Zwischenbereiche mit – gegenüber den Verbindungsbereichen 32, den Verstärkungsrippen 34 und den Verbindungsrippen 36 – verringerter Materialstärke. Der axiale Abstand von der Bordscheibe 24 zu den Verbindungsbereichen 32, den Verstärkungsrippen 34 und den Verbindungsrippen 36 beträgt vorzugsweise 5 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt 7 mm. Der axiale Abstand von der Bordscheibe 24 bis zu den vorstehend genannten Zwischenbereichen beträgt vorzugsweise 20 mm bis 50 mm, besonders bevorzugt 25 mm. Damit ergibt sich eine Materialstärkendifferenz von 10 mm bis 20 mm. Das erfindungsgemäße Riemenrad 10 weist vorzugweise einen Außendurchmesser DB von 50 mm bis 150 mm auf, besonders bevorzugt 85 mm bis 95 mm.
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Ein erfindungsgemäßes Riemenrad 10 kann aus allen geeigneten Werkstoffen insbesondere als Gussteil hergestellt werden. Besonders kostengünstig herstellbar ist das erfindungsgemäße Riemenrad 10 aus Kunststoff. Als Kunststoff-Spritzprägeteil kann das erfindungsgemäße Riemenrad besonders maßhaltig hergestellt werden.
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Wie in 2 erkennbar ist, ist die Struktur aus Verbindungsbereichen 32, Verstärkungsrippen 34 und Verbindungsrippen 36 nur auf der der Bordscheibe 24 zugewandten Seite ausgebildet. Die dem Absatz 22 zugewandte Seite weist eine im Wesentlichen eben ausgebildete Seitenfläche auf.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Sie kann unter Berücksichtigung der Ansprüche und im Rahmen der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Riemenrad
- 12
- Nabenbereich
- 14
- Lauffläche
- 16
- Verzahnung
- 18
- Nut
- 20
- Grundkörper
- 22
- Absatz
- 24
- Bordscheibe
- 26
- Ausnehmung (für Kugelrückführeinrichtung)
- 28
- Freimachung
- 30
- Steg
- 32
- Verbindungsbereich
- 34
- Verstärkungsrippe
- 36
- Verbindungsrippen
- 38
- Freimachung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10347100 A1 [0002]
- DE 102007051780 A1 [0003, 0003]
- DE 102008049116 A1 [0004, 0006]
- DE 102008014402 A1 [0005]
- DE 102010046613 A1 [0006, 0006, 0006, 0006]
