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Die Erfindung betrifft ein Schraub- bzw. Schneckenrad, das in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, insbesondere einer Servolenkung, eingesetzt wird.
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Schraub- bzw. Schneckenräder werden in Schneckengetrieben eingesetzt, die eine Art eines Schraubwälzgetriebes darstellen und eine schraubenförmige Schnecke umfassen, die bei Drehbewegungen ein in diese eingreifendes Zahnrad bzw. Schneckenrad dreht. Schneckengetriebe sind somit Zahnradgetriebe mit im allgemeinen rechtwinklig gekreuzten Achsen. Die in der Regel treibende Schnecke mit zylindrischer bzw. globoidischer Ausgestaltung wirkt mit dem zugehörigen, in der Schnecke kämmenden Schneckenrad mit entsprechender Verzahnung zusammen. Dabei findet die Berührung von Schnecke und Schneckenrad in Linien innerhalb eines Eingriffsfelds statt. Hierzu verfügen Schnecken über einen oder mehrere Zähne, die wie Gänge von Schrauben unter gleichbleibender Steigung um die Schneckenachse gewunden sind.
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Derartige Schneckengetriebe werden in Lenkvorrichtungen, wie bspw. Servolenkungen, zur Übertragung von Lenkmomenten auf die Zahnstange des Lenksystems eingesetzt. Servolenkungen wiederum werden zur Reduzierung der Kraft, die zur Betätigung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs beim Lenken im Stand, beim Rangieren oder bei geringen Fahrgeschwindigkeiten erforderlich ist, eingesetzt. Dabei unterstützt die Servolenkung den Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer aufgebrachte Kraft durch ein zusätzlich aufgebrachtes Moment, bspw. von einem Elektromotor oder einer Hydraulikpumpe bereitgestellt, verstärkt wird.
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Bekannte Schraub- bzw. Schneckenräder bestehen bspw. aus einem Guss-Polyamid-Ring, die mit einer Metallnabe verklebt werden. Anschließend wird die Verzahnung durch Fräsen in den Guss-Polyamid-Ring eingebracht.
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Aus der Druckschrift
WO 02/38432 A1 ist eine elektrische Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Schnekkengetriebe aufweist, das aus einer in einem Gehäuse gelagerten Schnecke und einem mit einer Eingangswelle gekoppelten Schneckenrad besteht. Das Schneckenrad ist Teil einer elastischen Ausgleichskupplung, deren Kupplungsteile nur durch einen elastischen Abstandshalter miteinander gekoppelt sind. Dabei ist das Schneckenrad spiegelsymmetrisch aufgebaut und auf dem Abstandshalter gelagert.
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Es sind weiterhin Schraubräder für Servolenkungen bekannt, die aus mehreren Teilen bestehen. Diese mehrteiligen Schraubräder werden durch Verbindungselemente form- und kraftschlüssig verbunden, um das Drehmoment vom Zahnkranz auf die Welle übertragen zu können.
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Weiterhin sind Zahnräder bekannt, die ein Außenteil mit einer Verzahnung aufweisen und ein Einlegeteil als Nabe bzw. Innenteil haben, die durch ein Verbindungsteil mit einem Schirmanguss verbunden werden. Die Druckschrift
EP 1 777 439 A1 beschreibt ein solches Zahnrad und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zahnrads, bei dem das Außenteil und das Einlegeteil mit dem Verbindungsteil formschlüssig verbunden werden, wobei das Verbindungsteil mittels Schirmanguss gegossen wird.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Schraubrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Schraubgetriebe mit einem solchen Schraubrad mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das vorgestellte Schraubrad kommt in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung zum Einsatz und weist ein Innenteil, ein Verbindungsteil und ein Außenteil auf, wobei das Außenteil Zähne trägt. Das Verbindungsteil ist zwischen dem Außenteil und dem Innenteil angeordnet. Das Innenteil kann eine Nabe oder eine Welle sein. Das beschriebene Schraubrad zeichnet sich dadurch aus, dass im Verbindungsteil unter jedem Zahn des Außenteils jeweils eine Rippe ausgebildet ist, die der Verstärkung dient.
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Als Material für das Außenteil und das Verbindungsteil kommen insbesondere Kunststoffe in Betracht. Somit kann das Schraubrad mittels verschiedener Guss- und Spritzgussverfahren gefertigt werden.
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In einer Ausgestaltung verlaufen die Rippen im Verbindungsteil radial. D.h. diese verlaufen jeweils im Verbindungsteil von der dem Innenteil zugewandten Seite hin in Richtung zu dem Außenteil, so dass die Verlängerung der Rippen in den Zähnen auslaufen bzw. die Rippen mit den Zähnen fluchten. Die Rippen bilden somit einen radialen Anschluss für die Zähne.
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Das Außenteil kann aus einem unverstärkten Kunststoff oder einem verstärkten Kunststoff gefertigt sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Werkstoffe des Schraubrads so gewählt sind, dass die Festigkeit von außen nach innen zunimmt.
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Als eine weitere Ausgestaltung wird ein Schraubrad beschrieben, bei dem an dem Verbindungsteil zylinderförmige Elemente vorgesehen sind, die in das Außenteil hineinragen. Entsprechend weist das Außenteil zylinderförmige Öffnungen bzw. Aussparungen auf, in welche die Elemente ragen. Dabei können die Elemente in Reihen umlaufend angeordnet sein. Sind mehrere Reihen von Elementen vorgesehen, so können die Elemente benachbarter Reihen versetzt zueinander angeordnet sein. Selbstverständlich können die Elemente auch am Außenteil vorgesehen sein. In diesem Fall sind im Verbindungsteil entsprechende Öffnungen vorgesehen. In einer Ausgestaltung sind die zylinderförmigen Elemente derart angeordnet, so dass sich unter jedem Zahn des Außenteils ein zylinderförmiges Element des Verbindungsteils befindet. D.h. dass die zylinderförmigen Elemente der Reihe an Elementen, die radial am weitesten außen vorgesehen ist, entsprechend vorgesehen sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine typischerweise mittlere Scheibe vorgesehen, die alle Rippen des Verbindungsteils miteinander verbindet.
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Weiterhin können die Rippen, die bspw. radial verlaufen, an der dem Innenteil zugewandten Seite durch einen inneren Radius verbunden sein, der tangential in die Rippen übergeht.
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Darüber hinaus kann zwischen dem Verbindungsteil und dem Außenteil eine kegelförmige Verbindung vorgesehen sein.
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Die Merkmale der aufgeführten Ausführungen des beschriebenen Schraubrads können alternativ oder beliebig miteinander kombiniert ergänzend verwirklicht sein.
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Es wird ebenfalls ein Schraub- bzw. Schneckengetriebe mit einem Schraubrad der vorstehend beschriebenen Art vorgestellt, das zum Einsatz in einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
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Bei der Fertigung des beschriebenen Schraubrads wird bspw. das Außenteil aus unverstärktem oder verstärktem Kunststoff mittels Spritzgussverfahren hergestellt. Das Innenteil wird zusammen mit dem Außenteil in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt. Danach wird der Freiraum zwischen Innenteil und Außenteil durch ein Verbindungsteil mittels Spritzgussverfahren aus typischerweise verstärktem Kunststoff ausgefüllt.
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Das beschriebene Schraubrad weist in einer besonderen Ausgestaltung einen radialen und axialen Formschluss zwischen Innenteil und Verbindungsteil auf. Weiterhin ist eine symmetrische Verrippung des Verbindungsteils vorgesehen, d.h. unter jedem Zahn des Außenteils befindet sich eine radiale Rippe zur Verstärkung sowie zur Reduzierung von radialen Dehnungen infolge von z.B. Temperatureinwirkungen und Konditionierungen, bspw. durch Wasseraufnahme. Die mittlere Scheibe verbindet alle radialen Rippen des Verbindungsteils miteinander. Dies führt zu einer Verbesserung der Torsionssteifigkeit und der Festigkeit des Verbindungsteils durch Übertragung axialer Kräfte. Die Verbindung der radialen Rippen des Verbindungsteils auf der dem Innenteil zugewandten Seite und somit im Bereich des Innenteils durch einen Radius, der tangential in die radialen Rippen übergeht, bewirkt eine Reduzierung der maximalen Spannungen. Die kegelförmige Verbindung zwischen dem Verbindungsteil und dem Außenteil im Axialschnitt führt zu einer Reduzierung der maximalen Spannungen. Der Formschluss zwischen dem Verbindungsteil und dem Außenteil durch zylinderförmige Elemente am Verbindungsteil, die in das Außenteil hineinragen, ist ebenfalls vorteilhaft. Weiterhin ist bei der besonderen Ausgestaltung vorgesehen, dass die radial am weitesten von der Mittelachse des Schraubrads entfernten zylinderförmigen Elemente des Verbindungsteils sich genau unterhalb eines jeden Zahns des Außenteils befinden, was eine Reduzierung der Zahnfußspannung im Außenteil mit sich bringt.
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Zu beachten ist, dass das Verbindungsteil durch die symmetrische Kontur der Verzahnung des Außenteils einen großen formschlüssigen Bereich hat, der das Drehmoment und die axialen Kräfte übertragen kann. Dieser große symmetrische formschlüssige Bereich ermöglicht eine genaue Abbildung der Verzahnung des Außenteils, da die Spannungen, die durch das Schwinden des Verbindungsteils im Verzahnungsbereich auftreten, durch die Symmetrie des Verbindungsteils zu keinen unzulässigen Abweichungen in der Verzahnung führen.
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Das Außenteil, das aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff besteht, wird bspw. mit dem Verbindungsteil vergossen. Durch das Schwinden des Verbindungsteils beim Abkühlen entsteht so zusätzlich zum Formschluss noch ein Kraftschluss zum Außenteil.
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Die Werkstoffe des Schraubrads sind vorzugsweise so gewählt, dass die Festigkeit von außen nach innen, also vom Außenteil zum Verbindungsteil zum Innenteil, immer größer wird. Durch diesen Herstellungsprozess können Zahnräder, nämlich Schraub- und Schneckenräder, gefertigt werden, die einen kleinen Durchmesser aufweisen und gleichzeitig große Drehmomente übertragen können. Weiterhin ergibt sich durch die Verwendung vieler dünnen Rippen am Verbindungsteil eine große Festigkeit des Schraubrads in Verbindung mit einem äußerst geringen Materialeinsatz.
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Das beschriebene Schraubrad ist, zumindest in einigen der Ausführungen, hinsichtlich der Kosten und des Gewichts vorteilhaft. Die Verwendung von Kunststoff, insbesondere für das Außenteil, bewirkt eine verbesserte Dämpfung. Außerdem ist das Reibungsverhalten zwischen Metall und Kunststoff besser als dasjenige zwischen Metall und Metall.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung des beschriebenen Schraubrads.
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2 zeigt eine weitere Ausführung des beschriebenen Schraubrads.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführung des beschriebenen Schraubrads.
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4 zeigt einen Ausschnitt des Schraubrads aus 3 in anderer Perspektive.
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5 zeigt eine Ausführungsform des Verbindungsteils.
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6 zeigt eine Ausführungsform des Außenteils.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenteils.
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In 1 ist eine Ausführungsform des beschriebenen Schraubrads in einer perspektivischen Gesamtansicht, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen, dargestellt. Das Schraubrad 10 umfasst ein Innenteil 12, das in diesem Fall als Nabe ausgebildet ist, ein Verbindungsteil 14 und ein Außenteil 16. Diese Teile 12, 14 und 16 sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei das Verbindungsteil 14 zwischen dem Innenteil 12 und dem Außenteil 16 angeordnet ist.
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Das Außenteil 16 trägt am äußeren Umfang eine Anzahl an Zähnen 18, welche die Verzahnung 20 des Schraubrads 10 bilden. Dieser äußere Bereich des Außenteils 16, der die Verzahnung 20 trägt, wird auch als Verzahnungsbereich bezeichnet.
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Das Außenteil 16 kann aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff gefertigt sein. Für das Innenteil 12 kann ein metallischer Werkstoff verwendet werden. Bei einer möglichen Herstellung wird das Verbindungsteil 14 zwischen Innenteil 12 und Außenteil 16 gegossen. Durch Schwinden des Verbindungsteils 14 beim Abkühlen entsteht dann zusätzlich zum Formschluss ein Kraftschluss zum Außenteil 18.
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In einer besonderen Ausgestaltung sind die Werkstoffe des Schraubrads 10 so gewählt, dass die Festigkeit von außen nach innen zunimmt. Somit kann das dargestellte Schraubrad 10 zwar einen kleinen Durchmesser haben und dennoch große Drehmomente übertragen.
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In 2 ist eine weitere Ausführung des Schraubrads 30 in einer perspektivischen Gesamtdarstellung wiedergegeben. Die Darstellung zeigt ein Innenteil 32, das als Welle ausgebildet ist, ein Verbindungsteil 34 und ein Außenteil 36 mit Zähnen 38, welche die Verzahnung 40 bilden. Auch bei dieser Ausführung können Materialien und Herstellungsverfahren, wie diese in Verbindung mit der Ausführung aus 1 genannt sind, gewählt werden.
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In 3 ist in einer Schnittdarstellung eine Ausführung des Schraubenrads 50 wiedergegeben. Dieses umfasst ein Innenteil 52, das als Welle ausgebildet ist, ein Verbindungsteil 54 und ein Außenteil 56 mit Zähnen 58 zur Bereitstellung einer Verzahnung 60.
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Durch eine radiale Erweiterung 64 am Innenteil 52 im Bereich der Verbindung zum Verbindungsteil 54 und eine entsprechende Ausnehmung 66 im Verbindungsteil 54, wobei die Erweiterung 64 in die Ausnehmung 66 greift, ist ein radialer und axialer Formschluss zwischen dem Innenteil 52 und dem Verbindungsteil 54 gegeben.
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Weiterhin zeigt die Darstellung eine kegelförmige Verbindung 70 zwischen dem Verbindungsteil 54 und dem Außenteil 56 im Axialschnitt. Auf diese Weise können maximale Spannungen reduziert werden. Außerdem ist in 3 eine mittlere Scheibe 72 zu erkennen.
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In 4 ist das Schraubrad 50 aus 3 in einer anderen Perspektive und ausschnittsweise dargestellt. Die Darstellung zeigt deutlich eine Anzahl von radial verlaufenden Rippen 80, die im gleichen Abstand zueinander über das Verbindungsteil 54 angeordnet sind. Diese Rippen 80 stellen eine symmetrische Verrippung dar. Dabei befindet sich unter jedem Zahn 58 eine Rippe 80, die zur Verstärkung und zur Reduzierung von radialen Dehnungen infolge von bspw. Temperaturdehnungen und Konditionierung dient.
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Die radial verlaufenden Rippen 80 fluchten jeweils in einen der Zähne 58, wobei jedem Zahn 58 eine Rippe 80 zugeordnet ist. Weiterhin zeigt die Darstellung die mittlere Scheibe 72, die alle radialen Rippen 80 des Verbindungsteils 54 miteinander verbindet. Dies führt zu einer Verbesserung der Torsionssteifigkeit und Festigkeit des Verbindungsteils 54, da axiale Kräfte durch die mittlere Scheibe 72 übertragen werden.
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Durch die Verwendung der Rippen 80 ergibt sich eine große Festigkeit des Verbindungsteils 54 und damit des gesamten Schraubrads 50 bei geringem Materialeinsatz.
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Außerdem ist in 4 zu erkennen, dass die Verbindung der radialen Rippen 80 des Verbindungsteils 54 im Bereich des Innenteils 52 durch einen Radius 84 bzw. eine Abrundung gegeben ist, der bzw. die tangential in die radialen Rippen 80 übergeht.
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In 5 ist eine Ausführung eines Verbindungsteils 90 dargestellt, das auf einem Innenteil 92 gehalten ist. Das Verbindungsteil 90 weist radial verlaufende Rippen 94 auf. Weiterhin sind in Reihen angeordnete zylinderförmige Elemente 98 zu erkennen, die einen Formschluss zwischen dem Verbindungsteil 90 und einem Außenteil, wie dieses in 6, mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet, dargestellt ist. Dieses Außenteil 100 weist entsprechende zylinderförmige Öffnungen 102 auf, in welche die zylinderförmigen Erweiterungen 98 greifen. Die entsprechenden Formen können bei einem Guss- oder Spritzgussverfahren, wenn bspw. das Verbindungsteil 90 zwischen das Außenteil 100 und das Innenteil 92 gegossen wird, gebildet werden.
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Zur Bereitstellung des Formschlusses ragen die zylinderförmigen Elemente 98 am Verbindungsteil 90 in die zylinderförmigen Öffnungen 102 im Außenteil 100.
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In 7 ist ein Ausschnitt einer Ausführung des Außenteils 120 wiedergegeben. Dieses Außenteil trägt am äußeren Umfang Zähne 122, die regelmäßig über den Umfang verteilt sind. Weiterhin sind zylinderförmige Öffnungen 124 zu erkennen, die in einer ersten Reihe 126 und einer zweiten Reihe 128 angeordnet sind. Dabei sind die Öffnungen 124 der ersten Reihe 126 versetzt zu den Öffnungen 124 in der zweiten Reihe 128 angeordnet.
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Es ist zu erkennen, dass die zylinderförmigen Öffnungen 124, die am weitesten von der Mittelachse des Schraubrads entfernt sind, somit die zylinderförmigen Öffnungen 124 der ersten Reihe 126, sich genau unterhalb eines jeden Zahnes 122 befinden. Dies führt zu einer Reduzierung der Zahnfußspannung im Außenteil 120.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 02/38432 A1 [0005]
- EP 1777439 A1 [0007]
