DE102012102778A1

DE102012102778A1 - Verfahren zum herstellen eines schraubrads

Info

Publication number: DE102012102778A1
Application number: DE201210102778
Authority: DE
Inventors: Jens Hafermalz; Dennis Füchsel
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

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schraubrads vorgestellt. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt auf ein Innenteil ein Verbindungsteil aufgebracht und in einem weiteren Verfahrensschritt ein Außenteil aufgebracht. Das Außenteil wird dabei mittels eines Schirmangusses aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schraubrads bzw. Schneckenrads, das in 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 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.
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.
Aus der Druckschrift EP 0 619 445 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads in Verbundbauweise bekannt, bei dem ein erster wellenseitiger Nabenteil des Zahnrads aus einem Thermoplast mit hohem Dämpfungsfaktor und geringerer mechanischen Festigkeit und auf diesen ersten Nabenteil ein zweiter Nabenteil mit einem äußeren Zahnkranz aus einem Thermoplast hoher mechanischer Festigkeit und mit einem geringen Dämpfungsfaktor angespritzt wird. Der zweite Nabenteil weist einen äußeren Zahnkranz auf.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schraubrads nach Anspruch 1 vorgestellt. Ausführungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das beschriebene Verfahren dient zum Herstellen eines Schraubrads, wobei in einem ersten Verfahrensschritt auf ein Innenteil ein Verbindungsteil aufgebracht wird und anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt ein Außenteil aufgebracht wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Außenteils mittels eines Schirmangusses aufgebracht wird.
Das hergestellte Schraubrad kommt bspw. in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung zum Einsatz und weist ein Innenteil, ein Verbindungsteil und ein Außenteil auf, wobei das Außenteil Zähne trägt. Das Verbindungsteil ist dabei zwischen dem Außenteil und dem Innenteil angeordnet. Das Innenteil kann eine Nabe oder eine Welle sein.
Als Material für das Außenteil und das Verbindungsteil kommen insbesondere Kunststoffe in Betracht. Somit können bei der Fertigung des Schraubrad verschiedene Guss- und Spritzgussverfahren verwendet werden.
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. Durch diesen Herstellungsprozess können Zahnräder, nämlich Schraub- und Schneckenräder, gefertigt werden, die einen kleinen Durchmesser aufweisen und gleichzeitig große Drehmomente übertragen können.
Das Verbindungsteil kann bspw. mittels eines Schirmangusses oder eines Stangenangusses aufgebracht werden.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass der weitere Verfahrensschritt durchgeführt wird, bevor das im ersten Verfahrensschritt aufgebrachte Verbindungsteil abgekühlt ist. Dies bedeutet, dass zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem weiteren Verfahrensschritt nur wenige Sekunden vergehen. Das Außenteil wird daher auf das noch heiße bzw. nicht oder nur geringfügig abgekühlte Verbindungsteil aufgebracht. In diesem Fall kühlen das Verbindungsteil und das Außenteil im wesentlichen gemeinsam aus. Dies verringert Spannungen zwischen den Bauteilen und führt zu einer guten Verbindung zwischen Verbindungsteil und Außenteil.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem weiteren Verfahrensschritt beim Aufbringen des Außenteils ein Anguss aus dem ersten Verfahrensschritt zum Aufbringen des Verbindungsteils verwendet wird. Hierbei ist lediglich zu beachten, dass ein solches Vorgehen zu einem unsymmetrischen Aufbau des Schraubrads führen kann.
In diesem Fall kann der Anguss aus dem ersten Verfahrensschritt erst nach dem zweiten Verfahrensschritt entfernt werden.
In einer alternativen Ausführung wird der Anguss aus dem ersten Verfahrensschritt vor dem weiteren Verfahrensschritt entfernt. In diesem Fall wird zweckmäßigerweise im zweiten Verfahrensschritt ein Einlegeteil verwendet.
Der Anguss kann mittels eines zerspanenden Verfahrens, eines Kraftstoßes oder eines Ultraschallverfahrens entfernt werden. Hierbei kann eine bereitgestellte Sollbruchstelle hilfreich sein.
In einer möglichen Ausführung ist somit vorgesehen, dass ein Innenteil, dass eine Nabe oder eine Welle sein kann, im Schirmangussverfahren oder im Stangen- bzw. Punktangussverfahren durch ein Verbindungsteil radial umschlossen wird. Auf dieses Verbindungsteil wird ein Außenteil mit Verzahnung im Schirmangussverfahren gegossen. Der Schirmanguss wird dabei entweder durch das Werkzeugoberteil in Verbindung mit einem Einlegeteil oder durch das Werkzeugoberteil in Verbindung mit einem erstarrten Schirmanguss einschließlich der Geometrie des Verbindungsteils auf der Angusseite definiert.
Der Anguss wird entsprechend nach dem jeweiligen Guss oder wenn das komplette Schraubrad gefertig ist abgetrennt. Die Entfernung des Angusses kann durch spanabhebende Verfahren, wie bspw. Drehen oder Fräsen, durch schwingungsinduzierende Verfahren, wie bspw. Ulraschall, und/oder durch einen Kraftstoß realisiert werden. Hierbei ist eine vorgesehene Sollbruchstelle zweckmäßig.
Das Schraubrad wird somit aus mindestens drei Teilen gefertigt, wobei das Schraubrad vom Innenteil in Stufen bis zum äußeren Zahnkranz durch jeweils einen Angusskanal, der sich in Achsmitte befindet, hergestellt werden kann.
Das Innenteil wird üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der einen Formschluss zum Verbindungsteil bildet, der das Drehmoment und auch die axialen Kräfte übertragen kann. Dabei kann das Verbindungsteil das Innenteil auf einer Seite vollständig überdecken. Das Verbindungsteil kann aus einem verstärkten Kunststoff mit einer großen Festigkeit und kleiner Wärmedehnung hergestellt werden. Durch das Schwinden des Verbindungsteils beim Abkühlen entsteht zusätzlich ein Kraftschluss zum Innenteil. Das Außenteil besteht üblicherweise ebenfalls aus einem Kunststoff, der unverstärkt oder verstärkt sein kann. Das Außenteil ist mit dem Verbindungsteil dabei über einen Form- und Kraftschluss fixiert.
Das hergestellte 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 eines Ausführungsbeispieles 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 einen möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Verbindungsteils.
4 zeigt einen möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils.
5 zeigt einen weiteren möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils.
6 zeigt einen weiteren möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Verbindungsteils.
7 zeigt einen weiteren möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils.
8 zeigt noch einen weiteren möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils.
9 zeigt noch einen weiteren möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils.
10 zeigt eine mögliche Ausführung des Schraubrads in Explosionsdarstellung.
11 zeigt eine weitere mögliche Ausführung des Schraubrads in Explosionsdarstellung.
12 zeigt einen Schnitt durch das Schraubrad aus 10.
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.
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.
Das Außenteil 16 kann aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff gefertigt sein. Für das Innenteil 12 kann ein metallischer Werkstoff verwendet werden. Durch Schwinden des Verbindungsteils 14 beim Abkühlen entsteht dann zusätzlich zum Formschluss ein Kraftschluss zum Außenteil 18.
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.
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.
In 3 wird eine mögliche Ausführung eines Verfahrensschritts zum Aufbringen eines Verbindungsteils auf ein Innenteil wiedergegeben. Die Darstellung zeigt ein Werkzeugoberteil 50, ein Einlegeteil 52, einen Anguss 54, in diesem Fall einen Schirmanguss, ein Verbindungsteil 56 des Schraubrads und eine Nabe 58 des Schraubrads, die das Innenteil darstellt.
Die Figur zeigt, wie das Innenteil bzw. die Nabe 58 im Schirmangussverfahren durch das Verbindungsteil 56 umschlossen wird.
4 zeigt einen möglichen Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils. Die Darstellung zeigt ein Werkzeugoberteil 70, ein Einlegeteil 72, einen Anguss 74, ein Verbindungsteil 76 des Schraubrads, eine Nabe 78 des Schraubrads, die das Innenteil bildet, und einen Zahnkranz 80 des Schraubrads.
Die Figur verdeutlicht, wie auf das Verbindungsteil 76 das Außenteil mit Zahnkranz 80 im Schirmangussverfahren gegossen wird. Dabei wird der Schirmanguss durch das Werkzeugoberteil 70 in Verbindung mit dem Einlegeteil 72 auf der Angussseite definiert.
In 5 ist ein weiterer möglicher Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Außenteils wiedergegeben. Die Darstellung zeigt ein Werkzeugoberteil 90, ein Einlegeteil 92, einen Anguss 94, ein Verbindungsteil 96 des Schraubrads, eine Nabe 98 des Schraubrads und einen Zahnkranz 100 des Schraubrads.
In der Figur ist gezeigt, wie auf das Verbindungsteil 96 das Außenteil mit Zahnkranz 100 im Schirmangussverfahren gegossen wird. Der Schirmanguss wird dabei durch das Werkzeugoberteil 90 in Verbindung mit dem erstarrten Schirmanguss einschließlich der Geometrie des Verbindungsteils auf der Angussseite definiert.
In 6 ist ein weiterer möglicher Verfahrensschritt zum Aufbringen eines Verbindungsteils verdeutlicht. In der Darstellung sind ein Werkzeugoberteil 110, ein Anguss 112, ein Verbindungsteil 114 des Schraubrads und eine Welle 116 des Schraubrads, die das Innenteil darstellt, zu erkennen.
Die Darstellung gibt wieder, wie die Welle 116 als Innenteil des Schraubrads durch ein Verbindungsteil 114 im Punkt- bzw. Stangenangussverfahren umschlossen wird.
7 zeigt eine weitere mögliche Vorgehensweise zum Aufbringen eines Außenteils. Die Figur zeigt ein Werkzeugoberteil 130, ein Einlegeteil 132, einen Anguss 134, ein Verbindungsteil 136 des Schraubrads, einen Zahnkranz 138 des Schraubrads und eine Welle 140, die das Innenteil des Schraubrads darstellt.
Die Darstellung zeigt, wie auf das Verbindungsteil 136 ein Außenteil mit Zahnkranz 138 im Schirmangussverfahren gegossen wird. Der Schirmanguss wird dabei durch das Werkzeugoberteil 130 in Verbindung mit dem Einlegeteil 132 auf der Angussseite definiert.
8 verdeutlicht eine mögliche Ausführung zum Aufbringen eines Außenteils, wie dies nach einem Verfahrensschritt, wie dieser bspw. in 3 dargestellt ist, vorgenommen werden kann.
Die Darstellung zeigt ein Werkzeugoberteil 200, ein Verbindungsteil 202, ein Innenteil 204, ein Außenteil 206, einen Schirmanguss 208 für das Außenteil 206, ein Einlegeteil 210 für den Schirmanguss 208 des Außenteils 206 und einen Schirmanguss 212 für das Verbindungsteil 202.
Bei der Fertigung wird nach dem in 3 dargestellten Verfahrensschritt, bei dem das Verbindungsteil 202 angespritzt wird, das Verbindungsteil 202 und das Innenteil 204 aus dem Werkzeug genommen, gedreht und wieder in ein Werkzeug, dessen Werkzeugoberteil 200 in 8 dargestellt ist, eingelegt. Dann wird das Einlegeteil 210 in das Innenteil 204 eingesetzt. Dann erfolgt der Anguss des Außenteils 206. Der Schirmanguss 212 für das Verbindungsteil bleibt zunächst bestehen und wird abschließend entfernt.
9 veranschaulicht eine mögliche Ausführung zum Aufbringen eines Außenteils, wie dies nach einem Verfahrensschritt, wie dieser bspw. in 3 und 6 dargestellt ist, vorgenommen werden kann.
Die Darstellung zeigt ein Werkzeugoberteil 230, ein Verbindungsteil 232, ein Innenteil 234, ein Außenteil 236, einen Schirmanguss 238 für das Außenteil 236, ein Einlegeteil 240 für den Schirmanguss 238 des Außenteils 236 und einen Schirmanguss 242 für das Verbindungsteil 232.
Bei der Fertigung wird nach dem in 3 und 6 dargestellten Verfahrensschritt, bei dem das Verbindungsteil 232 angespritzt wird, optional das Verbindungsteil 232 und das Innenteil 234 aus dem Werkzeug genommen. Dann wird das neue Einlegeteil 240 auf den Schirmanguss 242 des Verbindungsteils 232 aufgesetzt. Dann erfolgt der Anguss des Außenteils 236
Eine mögliche Ausführung des Schraubrads, das mit dem vorgestellten Verfahren hergestellt wurde, ist in 10, mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet, dargestellt. Zu erkennen ist eine Nabe 152, die das Innenteil darstellt, ein Verbindungsteil 154 und ein Außenteil 156 mit Zahnkranz 158.
Eine weitere mögliche Ausführung des Schraubrads, das mit dem vorgestellten Verfahren hergestellt wurde, ist in 11, mit der Bezugsziffer 170 bezeichnet, dargestellt. Die Darstellung zeigt eine Welle 172, die das Innenteil darstellt, ein Verbindungsteil 174 und ein Außenteil 176 mit Zahnkranz 178.
In 12 ist ein Schnitt durch das Schraubrad 150 aus 10 wiedergegeben. Die Darstellung zeigt ein Verbindungsteil 180 des Schraubrads 150, die Nabe 152 und den Zahnkranz 158.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/38432 A1 [0005]
EP 1777439 A1 [0007]
EP 0619445 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Schraubrads, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt auf ein Innenteil ein Verbindungsteil aufgebracht wird und anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt ein Außenteil aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteils mittels eines Schirmangusses aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verbindungsteil mittels eines Schirmangusses aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verbindungsteil mittels eines Stangenangusses aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der weitere Verfahrensschritt durchgeführt wird, bevor das im ersten Verfahrensschritt aufgebrachte Verbindungsteil abgekühlt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in dem weiteren Verfahrensschritt beim Aufbringen des Außenteils ein Anguss aus dem ersten Verfahrensschritt zum Aufbringen des Verbindungsteils verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Verbindungsteil und das Innenteil nach dem ersten Verfahrensschritt gedreht werden und anschließend vor dem weiteren Verfahrensschritt ein Einlegeteil in das Innenteil eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nach dem ersten Verfahrensschritt ein Einlegeteil auf einen Anguss des Verbindungsteils aufgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Anguss aus dem ersten Verfahrensschritt nach dem zweiten Verfahrensschritt entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt ein Anguss entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem im zweiten Verfahrensschritt ein Einlegeteil verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Anguss mittels eines zerspanenden Verfahrens entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Anguss mittels eines Ultraschallverfahrens entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Anguss mittels eines Kraftstoßes entfernt wird.