DE102012102777A1

DE102012102777A1 - Schraubrad für eine elektromechanische lenkvorrichtung

Info

Publication number: DE102012102777A1
Application number: DE201210102777
Authority: DE
Inventors: Dennis Füchsel; Jens Hafermalz
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: DE102012102777B4

Abstract

Es werden ein Schraubrad und ein Schraubgetriebe vorgestellt. Das Schraubrad umfasst ein Innenteil, ein Verbindungsteil und ein Außenteil. Dabei weist das Verbindungsteil spiralförmige Rippen auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schraub- bzw. Schneckenrad, das in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, insbesondere einer Servolenkung, eingesetzt wird.
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.
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.
Bekannte Schraub- bzw. Schneckenräder bestehen bspw. aus Guss-Polyamid-Ring, die mit einer Metallnabe verklebt werden. Anschließend wird die Verzahnung durch Fräsen in den Guss-Polyamid-Ring eingebracht.
Aus der Druckschrift WO 02/38432 A1 ist eine elektrische Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Schneckengetriebe 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.
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.
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.
Vor diesem Hintergrund wird ein Schraubrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Schraubgetriebe mit einem solchen Schraubrad mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das beschriebene 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 vorgestellte Schraubrad zeichnet sich dadurch aus, dass das Verbindungsteil spiralförmige Rippen aufweist.
Als Material für das Außenteil und das Verbindungsteil kommen insbesondere Kunststoffe in Betracht. Somit kann das Schraubrad mittels verschiedener Guss- und Spritzgussverfahren gefertigt werden.
In einer Ausführung verlaufen die spiralförmigen Rippen von einem Ursprung aus in beide Richtungen. Dabei ist die Anzahl der Rippen, die jeweils in eine der beiden Richtungen verlaufen, typischerweise gleich.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Innenteil und dem Verbindungsteil ein radialer und axialer Formschluss gegeben ist.
In einer weiteren Ausführung sind zusätzlich gebogen verlaufende Rippen vorgesehen, die in Verstärkungen am Verbindungsteil auslaufen, die in die Zähne des Außenteils ragen.
Weiterhin kann eine typischerweise mittlere Scheibe vorgesehen sein, welche die gebogen verlaufenden Rippen und die spiralförmigen Rippen miteinander verbindet.
Außerdem kann an dem Verbindungsteil im Bereich der Verzahnung des Außenteils ein Verbindungsring vorgesehen sein.
In einer Ausführung weist das Verbindungsteil im Bereich des Kontakts zwischen Verbindungsteil und Außenteil eine reduzierte Breite auf.
Das Außenteil kann aus einem unverstärkten oder aus einem verstärkten Kunststoff gefertigt sein.
Die Merkmale der aufgeführten Ausführungen des beschriebenen Schraubrads können alternativ oder beliebig miteinander kombiniert ergänzend verwirklicht sein.
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.
Bei der Fertigung wird bspw. auf ein Innenteil ein Verbindungsteil aus verstärktem Kunststoff gespritzt, auf das Verbindungsteil wird ein Außenteil aus unverstärktem oder verstärktem Kunststoff gespritzt.
Das beschriebene Schraubrad weist in einer besonderen Ausgestaltung einen radialen und axialen Formschluss zwischen Innenteil und Verbindungsteil auf. Weiterhin ist eine spiralförmige und symmetrische Verrippung des Verbindungsteils vorgesehen. Die Rippen des Verbindungsteils werden dabei durch definierte Spiralen gebildet und verlaufen typischerweise vom Ursprung aus in beide Drehrichtungen. Der Krümmungsradius dieser Spiralen wird größer in radialer Richtung von innen nach außen. Durch die Verbindung der spiralförmigen Rippen miteinander bekommt das Verbindungsteil eine hohe Stabilität zur Reduzierung von radialen Dehnungen infolge von bspw. Temperatureinwirkungen und Konditionierung, bspw. durch Wasseraufnahme. Die spiralförmige Verrippung des Verbindungsteils sorgt für einen guten Kraftschluss zwischen dem Innenteil und dem Außenteil bei der Drehmomentübertragung. Die mittlere Scheibe verbindet möglicherweise zusätzlich vorgesehene radiale Rippen des Verbindungsteils miteinander. Dies führt zu einer Verbesserung der Torsionssteifigkeit und der Festigkeit des Verbindungsteils durch Übertragung axialer Kräfte. Die ggf. zusätzlich vorgesehene radiale Verrippung des Verbindungsteils bis in den Zahn des Außenteils hinein bewirkt eine Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit der Zähne des Außenteils. Dies führt zu einer Verbesserung des Formschlusses zwischen dem Verbindungsteil und dem Außenteil in Umfangsrichtung. Ein umlaufender Verbindungsring am Verbindungsteil im Bereich des Zahnfußkreisdurchmessers der Verzahnung des Außenteils, nämlich die Verbindung der gebogenen Rippen und der Verstärkungen des Verbindungsteils in Umfangsrichtung, führt zu einer Reduzierung der Zahnfußspannung der Verzahnung im Außenteil. Eine Reduzierung der Breite des Verbindungsteils im Kontaktbereich zwischen dem Verbindungsteil und dem Außenteil bewirkt eine Verbesserung des Formschlusses und der Fixierung zwischen den Teilen.
Das Verbindungsteil hat durch die symmetrische Kontur zur Verzahnung des Außenteils einen großen formschlüssigen Bereich, der das Drehmoment und die axialen Kräfte übertragen kann. Dieser große formschlüssige Bereich ermöglicht eine genaue Abbildung der Verzahnung vom Außenteil, da die Spannungen, die durch das Schwinden des Außenteils im Verzahnungsbereich auftreten, durch die Symmetrie des Verbindungsteils zu keinen unzulässigen Abweichungen in der Verzahnung führen.
Das Außenteil, das aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff gefertigt sein kann, kann mit dem Verbindungsteil vergossen werden. Durch das Schwinden des Außenteils beim Abkühlen entsteht zudem zusätzlich zum Formschluss ein Kraftschluss zum Verbindungsteil.
Die Werkstoffe des Schraubrads sind vorzugsweise so gewählt, dass die Festigkeit von außen nach innen immer größer wird.
Da das Außenteil regelmäßig aus einem wenig verstärkten bzw. unverstärkten Kunststoff auf das Verbindungsteil aus dem verstärkten Kunststoff gespritzt bzw. gegossen wird und das Verbindungsteil in Ausführung direkt in die Zähne des Außenteils hineinragt, wird die Festigkeit der Verzahnung durch den verstärkten Kunststoff des Verbindungsteils verbessert. Durch diesen Herstellungsprozess können Zahnräder, nämlich Schraub- bzw. Schneckenräder, gefertigt werden, die einen kleinen Durchmesser haben und gleichzeitig große Drehmomente übertragen können.
Das Außenteil umschließt die Verstärkung des Verbindungsteils, die in den Zahnbereich des Außenteil hineinragt, typischerweise vollständig.
Weiterhin ergibt sich durch die Verwendung vieler dünner Rippen am Verbindungsteil eine große Festigkeit des Schraubrads in Verbindung mit einem äußerst geringen Materialeinsatz.
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.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Ausführung des beschriebenen Schraubrads.
2 zeigt eine weitere Ausführung des beschriebenen Schraubrads.
3 zeigt eine weitere Ausführung des beschriebenen Schraubrads in einer Schnittdarstellung.
4 zeigt das Schraubrad aus 3 in einer anderen Perspektive.
5 zeigt eine Ausführung des beschriebenen Verbindungsteils.
6 zeigt das Verbindungsteil aus 5 in anderer Perspektive.
7 zeigt einen Schnitt durch das Verbindungsteil aus 5.
In 1 ist in einer perspektivischen Gesamtansicht ein Schraubrad dargestellt, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieses Schraubrad 10 umfasst ein Innenteil 12, das in dieser Ausführung als Nabe ausgebildet ist, ein Verbindungsteil 14 und ein Außenteil 16, das am äußeren Umfang Zähne 18 trägt, die eine Verzahnung 20 des Schraubrads 10 bilden.
Die Darstellung zeigt, dass das Verbindungsteil spiralförmige Rippen 22 aufweist bzw. dass diese in dem Verbindungsteil 14 angeformt sind. Diese spiralförmige Rippen 22 verlaufen in beide Umgangsrichtungen. Üblicherweise entspricht die Anzahl der Rippen 22, die in eine Richtung verlaufen, der Anzahl der Rippen 22, die in die andere Richtung verlaufen.
Somit ist eine spiralförmige Verrippung des Verbindungsteils 14 bereitgestellt. Die Rippen 22 werden dabei durch definierte Spiralen gebildet und verlaufen vom Ursprung, d.h. im wesentlichen von dem inneren Umfang des Verbindungsteils 14 aus in beide Drehrichtungen. Der Krümmungsradius dieser Spiralen wird größer in radialer Richtung von innen nach außen. Weiterhin bekommt durch die Verbindung der spiralförmigen Rippen miteinander das Verbindungsteil 14 eine hohe Stabilität zur Reduzierung von radialen Dehnungen, die bspw. von Temperatureinwirkungen und Konditionierung, z.B. durch Wasseraufnahme, hervorgerufen werden. Die spiralförmige Verrippung des Verbindungsteils 14 sorgt darüber hinaus für einen guten Kraftschluss zwischen dem Innenteil 12 und dem Außenteil 16 bei Drehmomentübertragungen.
2 zeigt eine weitere Ausführung des Schraubrads, das mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Dieses umfasst ein Innenteil 32, das als Welle ausgestaltet ist, ein Verbindungsteil 34 mit spiralförmiger Verrippung und ein Außenteil 36, das Zähne 38 für eine Verzahnung 40 trägt. Die Verrippung ist durch spiralförmige Rippen 42 gegeben.
In 3 ist ein Schnitt durch ein Schraubrad 50 wiedergegeben. Dieses umfasst ein Innenteil 52, ein Verbindungsteil 54 und ein Außenteil 56 mit Zähnen 58. Die Zähne 58, die umfänglich angeordnet sind, bilden eine Verzahnung 60.
Die Darstellung zeigt weiterhin eine Erweiterung 62 des Innenteils 52 und eine entsprechende Ausnehmung 64 im Verbindungsteil 54, wobei die Erweiterung 62 in die Ausnehmung 64 eingreift und auf diese Weise einen radialen und axialen Formschluss zwischen dem Innenteil 52 und dem Verbindungsteil 54 bewirkt.
Außerdem ist eine mittlere Scheibe 70 dargestellt, die alle Rippen 72 des Verbindungsteils 54 miteinander verbindet. Auf diese Weise, nämlich durch die Möglichkeit der Übertragung axialer Kräfte, wird eine Verbesserung der Torsionssteifigkeit und der Festigkeit des Verbindungsteils 54 bewirkt.
In 4 ist das Schraubrad 50 aus 3 wiedergegeben. Die Darstellung zeigt das Innenteil 52, das Verbindungsteil 54 und das Außenteil 56 mit den Zähnen 58 für die Verzahnung 60. Weiterhin ist die mittlere Scheibe 70 zu erkennen, welche die spiralförmigen Rippen 72 miteinander verbindet.
In 5 ist eine Ausführungsform des Verbindungsteils 90 ausschnittsweise und stark vereinfacht wiedergegeben. Dieses Verbindungsteil 90 hat Verstärkungen 92 bzw. radiale Rippen, die bis in Zähne 94 eines Außenteils 96 ragen. Dies erhöht die Steifigkeit und Festigkeit der Zähne 94 des Außenteils 96. Auf diese Weise wird der Formschluss zwischen dem Verbindungsteil 90 und dem Außenteil 96 in Umfangsrichtung verbessert.
Bei dieser Ausführung werden die Zähne 94 und regelmäßig das gesamte Außenteil 96 durch Umspritzen der Verstärkungen 92 gebildet. Die Verstärkungen 92 stellen eine radiale Verrippung des Verbindungsteils 90 bis in die Zähne 94 des Außenteils 96 dar.
Das Verbindungsteil 90 aus 5 ist in anderer Perspektive und verschiedenem Ausschnitt in 6 gezeigt. Zu erkennen sind die spiralförmigen Rippen 100, eine mittlere Scheibe 104 und die radial nach außen stehenden Verstärkungen 92, die Verlängerungen von gebogen ausgeführten Rippen 110 darstellen.
Weiterhin ist ein umlaufender Verbindungsring 112 vorgesehen, der profiliert ausgestaltet sein kann, und im Bereich des Zahnfußkreisdurchmessers der Verzahnung des Außenteils (nicht dargestellt), nämlich an der Verbindung der Verstärkungen 92 des Verbindungsteils 90 in Umfangsrichtung, vorgesehen ist. Dieser Verbindungsring 112 bewirkt eine Reduzierung der Zahnfußspannung der Verzahnung am Außenteil.
7 zeigt einen Schnitt durch das Verbindungsteil 90 mit dem Außenteil 96, das die Zähne 94 trägt.
Eine Reduzierung der Breite 120 des Verbindungsteils 90 im Kontaktbereich zwischen Verbindungsteil 90 und Außenteil 96 führt zu einer Verbesserung des Formschlusses und der Fixierung zwischen den Teilen.
Die verringerte Breite 120 bedeutet, dass das Verbindungsteil 90 bzw. dessen Verstärkungen 92 vollständig von dem Außenteil 96 bzw. von dessen Zähnen 94 umschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/38432 A1 [0005]
EP 1777439 A1 [0007]

Claims

Schraubrad für eine elektromechanische Lenkvorrichtung, das ein Innenteil, ein Verbindungsteil und ein Außenteil aufweist, wobei das Außenteil Zähne trägt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil spiralförmige Rippen aufweist.
Schraubrad nach Anspruch 1, bei dem die spiralförmigen Rippen von einem Ursprung aus in beide Richtungen verlaufen.
Schraubrad nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen dem Innenteil und dem Verbindungsteil ein radialer und axialer Formschluss gegeben ist.
Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zusätzlich gebogen verlaufende Rippen vorgesehen sind, die in Verstärkungen am Verbindungsteil auslaufen, die in die Zähne des Außenteils ragen.
Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Scheibe vorgesehen ist, die die Rippen miteinander verbindet.
Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem an dem Verbindungsteil im Bereich der Verzahnung des Außenteils ein Verbindungsring vorgesehen ist.
Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Verbindungsteil im Bereich des Kontakts zwischen Verbindungsteil und Außenteil eine reduzierte Breite aufweist.
Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Außenteil aus einem unverstärkten Kunststoff gefertigt ist.
Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Außenteil aus einem verstärkten Kunststoff gefertigt ist.
Schraubgetriebe mit einem Schraubrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9.