-
Die Erfindung betrifft ein Schneckenrad für eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung sowie eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung mit einem Schneckenrad.
-
Aus der
DE 198 56 100 A1 oder der
JP 2003 - 42 264 A ist ein Schneckenrad mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 bekannt.
-
Schneckenräder für Fahrzeug-Lenkvorrichtungen sind bekannt und bestehen nach dem Stand der Technik aus mehreren Teilen aus unterschiedlichen Materialien. Das Trägerteil, das an einer Nabe aus Metall angebracht ist, wird aus Metall oder einem verstärkten Kunststoff hergestellt, um die notwendige strukturelle Stabilität und eine effektive Kraftübertragung sicher zu stellen. Am Umfang des Trägerteils ist ein Zahnkranz aus einem elastischen Kunststoff angespritzt, der eine Schrägverzahnung aufweist, welche in Kombination mit den elastischen Eigenschaften des Kunststoffmaterials zu einer hohen Laufruhe und geringen Geräuschentwicklung des Schneckenrads führt.
-
Die Wahl des elastischen Kunststoffs für den Zahnkranz bestimmt dabei entscheidend die Eigenschaften des Schneckenrads. Auf der einen Seite können durch eine hohe Festigkeit des Kunststoffs Drehmomente effizienter übertragen und Reibungsverluste minimiert werden. Auf der anderen Seite kann die Geräuschentwicklung durch einen besonders weichen Kunststoff optimiert werden. Die Eigenschaften sind einander entgegengesetzt, daher ist es beim Stand der Technik notwendig, einen Kompromiss zwischen hoher Drehmomentübertragung und hoher Laufruhe einzugehen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schneckenrad bereitzustellen, das für die Übertragung hoher Drehmomente ausgelegt ist und gleichzeitig verbesserte Reibwerte sowie eine verringerte Geräuschentwicklung aufweist.
-
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Schneckenrad für eine Fahrzeug- Lenkvorrichtung vorgesehen, mit einer Nabe, einem Trägerteil, das an der Nabe angespritzt sein kann, und einem vorgefertigten, gegenüber dem Trägerteil ein separates Teil bildenden elastischen Zahnkranz, wobei das Trägerteil mit dem Zahnkranz drehmomentübertragend verbunden ist. Das Trägerteil weist an einem äußeren Umfang Zähne auf, und der Zahnkranz liegt an dem äußeren Umfang des Trägerteils abschnittsweise radial an, wobei zwischen dem Trägerteil und dem Zahnkranz in radialer Richtung abschnittsweise Zwischenräume gebildet sind, in die sich der Zahnkranz bei radialer Belastung in radialer Richtung elastisch hinein verformen kann. Aufgrund dieser Zwischenräume kann sich der Zahnkranz deutlich stärker elastisch in radialer Richtung verformen. Somit kann für den Zahnkranz ein Material mit geringerer Elastizität gewählt werden, um die Reibwerte zu minimieren und eine gewünschte strukturelle Festigkeit sicherzustellen, ohne damit gleichzeitig die Laufruhe des Schneckenrads negativ zu beeinflussen.
-
Vorzugsweise wechseln sich in Umfangsrichtung Zwischenräume und Kontaktstellen, an denen der Zahnkranz am Trägerteil anliegt, ab. Auf diese Weise wird eine sichere, spielfreie Führung gewährleistet, und der Zahnkranz weist über den gesamten Umfang annähernd konstante elastische Eigenschaften auf.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Zahnkranz außenseitig eine Schrägverzahnung auf, die einen besonders geräuscharmen und ruhigen Lauf des Schneckenrads begünstigt. Alternativ hierzu kann aber auch eine Geradverzahnung vorgesehen sein.
-
Es ist von Vorteil, wenn der Zahnkranz so auf dem Trägerteil aufgebracht ist, dass er die im Betrieb durch die Schrägverzahnung auftretenden Kräfte sowohl im Links- als auch im Rechtslauf aufnehmen kann. Somit wird sichergestellt, dass der Zahnkranz in beiden Laufrichtungen nicht vom Trägerteil rutscht.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerteil an seinem äußeren Umfang Zähne, z.B. mit einer Schrägverzahnung, auf. Die Zähne können eine konstante Zahndicke über wenigstens 90% ihrer Höhe, insbesondere über ihre gesamte Höhe, aufweisen. Die Zähne am Trägerteil bewirken eine zuverlässige Übertragung des Drehmoments auf den Zahnkranz. Darüber hinaus können die Zähne durch ihre optionale Schrägverzahnung optimal an den außenseitig ebenfalls optional schrägverzahnten Zahnkranz angepasst werden und begünstigen somit eine besonders hohe Laufruhe des Schneckenrads. Die Zähne können lineare, langgestreckte Fortsätze im Sinne von Zähnen von Zahnrädern sein oder lediglich beliebig gestaltete Fortsätze.
-
Erfindungsgemäß weist das Trägerteil an seinem äußeren Umfang axial lange Zähne auf, die von einem axialen Ende des Trägerteils bis zu einem entgegengesetzten axialen Ende des Trägerteils verlaufen, sowie axial kurze Zähne, die an einem axialen Ende des Trägerteils beginnen, aber das andere axiale Ende nicht erreichen und insbesondere 60% bis 80% der axialen Dicke des Trägerteils überbrücken. Der von den kurzen Zähnen freigelassene Raum kann so für zusätzliche Merkmale, wie beispielsweise Befestigungseinrichtungen, genutzt werden.
-
Lange und kurze Zähne können sich in ihrer Abfolge über mindestens 90% des äußeren Umfangs abwechseln. Hierdurch wird ein besonders gleichförmiger und ruhiger Lauf sichergestellt.
-
Es ist von Vorteil, wenn der Zahnkranz an seinem Innenumfang an die Zähne des Trägerteils angepasste Ausnehmungen zur Aufnahme der Zähne hat. Die Zähne und Ausnehmungen sind dabei insbesondere abschnittsweise komplementär gestaltet und von Höhe und Breite so aufeinander abgestimmt, dass die sich daraus ergebende Elastizität des Schneckenrads zu geringen Reibwerten führt und die für den Einsatz notwendige strukturelle Festigkeit gegeben ist.
-
Bevorzugt kann der Zahnkranz zur Montage auf das Trägerteil in axialer Richtung aufgeschoben werden, wobei zwischen Trägerteil und Zahnkranz eine Rastvorrichtung ausgebildet ist. Der Zahnkranz kann ferner insbesondere Rastelemente mit Rastkanten an seinem Innenumfang und das Trägerteil Rastelemente mit Rastkanten an seinem Außenumfang aufweisen, mit denen der Zahnkranz und das Trägerteil miteinander in axialer Richtung spielfrei verrasten. Dabei können die Rastelemente des Zahnkranzes als auch die Rastelemente des Trägerteils Fasen aufweisen, die das Aufschieben erleichtern. Dies ermöglicht eine einfache Montage des Schneckenrads sowie eine kostengünstige Fertigung der Bauteile.
-
Das Trägerteil hat vorzugsweise wenigstens eine Rastnut, in die ein Rastvorsprung am Innenumfang des Zahnkranzes ragt, insbesondere wobei die Rastnut in zumindest eine Zahnlücke zwischen benachbarten Zähnen des Trägerteils übergeht und wobei die Rastnut radial weiter innen endet als die Zahnlücke. Der Übergang zwischen der wenigstens einen Rastnut und der zumindest einen Zahnlücke kann dabei als Schräge ausgeführt sein. Der wenigstens eine Rastvorsprung am Zahnkranz steht in radialer Richtung einwärts hervor und greift in die Rastnut am Trägerteil ein, die in Umfangsrichtung ausgebildet sein kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ergibt sich radial zwischen Rastvorsprung und Rastnut zumindest einer der Zwischenräume, in den sich der Zahnkranz bei radialer Belastung elastisch hinein verformen kann.
-
Der Rastvorsprung ist beispielsweise axial in der Rastnut geklemmt. Auf diese Weise können axiale Kräfte aufgenommen werden, wodurch ein sicherer Sitz des Zahnkranzes auf dem Trägerteil gewährleistet ist.
-
Vorzugsweise ist radial zwischen der Zahnlücke und dem Zahnkranz zumindest einer der Zwischenräume vorhanden. Diese Gestaltung verbessert die elastischen Eigenschaften des Zahnkranzes und führt zu einer höheren Laufruhe.
-
Der Rastvorsprung kann einstückig in einen benachbarten, Ausnehmungen begrenzenden Fortsatz am Zahnkranz übergehen, wobei der Rastvorsprung radial weiter innen endet als der Fortsatz. Dadurch, dass der Rastvorsprung radial nach innen absteht, kann dieser mit der Rastnut am Trägerteil verrasten.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Zahnkranz im Bereich des Übergangs des Rastvorsprungs zum Fortsatz derart am Trägerteil im Bereich des Übergangs der Rastnut zur Zahnlücke in radialer Richtung an, dass in radialer Richtung abschnittsweise Zwischenräume gebildet sind, in die sich der Zahnkranz bei radialer Belastung hinein verformen kann. Die Kontaktfläche zwischen den jeweiligen Übergängen in axialer Richtung kann dabei weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und insbesondere bevorzugt weniger als 10% der Breite der Oberflächen in axialer Richtung betragen. Die Kontaktflächen dienen hierbei als Lager, auf denen der Zahnkranz radial auf dem Trägerteil gelagert ist.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Zahnkranz ohne radiales und/oder ohne axiales Spiel auf dem Trägerteil gelagert. Die spielfreie Lagerung führt zu einer höheren Stabilität des Schneckenrads und einer geringeren Geräuschentwicklung.
-
Die Nabe kann ein gegenüber dem Trägerteil separates Teil aus Metall sein und/oder das Trägerteil ist ein Kunststoffteil mit Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern. Zusätzlich oder alternativ kann der Zahnkranz aus einem Kunststoff bestehen oder einen Kunststoffabschnitt aufweisen. Eine separate Nabe ermöglicht es, diese kostengünstig aus einem Metall zu fertigen, welches beispielsweise aufgrund seiner hohen Festigkeit zu einem besseren Sitz auf der Welle und damit zu einer besseren Drehmomentübertragung führt. Ein faserverstärktes Trägerteil aus Kunststoff kann auch mit komplexen Strukturen kostengünstig sowie festigkeitsoptimiert hergestellt werden. Den Zahnkranz aus einem elastischen, vorzugweise reibungsarmen Kunststoff herzustellen, hat den Vorteil, dass die Fertigung zu geringen Kosten möglich ist und das Material dem Zahnkranz die gewünschten elastischen Eigenschaften verleiht.
-
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung mit einem Schneckenrad vorgesehen.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 in einer Explosionsansicht ein erfindungsgemäßes Schneckenrad,
- 2 in einer Draufsicht das erfindungsgemäße Schneckenrad aus 1,
- 3 in einer Schnittansicht das erfindungsgemäße Schneckenrad aus 2,
- 4 eine Detailansicht der Schnittansicht des erfindungsgemäßen Schneckenrads aus 3,
- 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeug-Lenkvorrichtung in der Ausführungsform Lenksäulenlenksystem,
- 6 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeug-Lenkvorrichtung in der Ausführungsform Ritzelantriebslenkung, und
- 7 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeug-Lenkvorrichtung in der Ausführungsform Doppelritzelantriebslenkung.
-
In 1 ist ein Schneckenrad 10 gezeigt, das aus einer Nabe 12, einem Trägerteil 14 und einem Zahnkranz 16 aufgebaut ist, die miteinander konzentrisch sowie drehmomentübertragend verbunden sind.
-
Die Nabe 12 besteht vorzugsweise aus Metall und ist rotationssymmetrisch zur Rotationsachse R als Hohlzylinder ausgeführt. An ihren axialen Seiten weist die Nabe 12 eine stufenweise, radiale Verjüngung 18 auf, die an beiden entgegengesetzten Seiten symmetrisch ausgebildet ist.
-
Das Trägerteil 14 besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff und besitzt eine kreiszylindrische Grundform mit einer speichenartigen Struktur 20 sowie einer zentralen, kreisförmigen Ausnehmung 22 zur Aufnahme der Nabe 12, wobei an beiden axialen Enden der Ausnehmung 22 jeweils ein Ring 24 angeordnet ist, der zur Befestigung der Nabe 12 dient.
-
An seinem äußeren Umfang 26 weist das Trägerteil 14 lange, linear verlaufende Zähne 28, die sich von einem ersten axialen Ende 30 bis zu einem entgegengesetzten, zweiten axialen Ende 32 des Trägerteils 14 erstecken, sowie kurze, linear und parallel zu den Zähnen 28 verlaufende Zähne 34 auf, die alle am ersten axialen Ende 30 beginnen und deren Länge ungefähr 2/3 der axialen Dicke d beträgt. Die Zähne 28, 34 sind schrägverzahnt, und zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen 28, 34 ist eine Zahnlücke 36 ausgebildet.
-
Am zweiten axialen Ende 32 des äußeren Umfangs 26 ist eine Rastnut 38 vorgesehen, die in Umfangsrichtung verläuft und nur von den langen Zähnen 28 unterbrochen wird. Dabei geht die Rastnut 38 in zumindest eine Zahnlücke 36 über, wobei sich die Rastnut 38 radial weiter nach innen erstreckt als die Zahnlücke 36.
-
Um ein axiales Aufschieben des Zahnkranzes 16 auf das Trägerteil 14 bei der Montage zu erleichtern, weist das zweite axiale Ende 32 eine umlaufende Fase 40 auf, die wie die Rastnut 38 nur durch lange Zähne 28 unterbrochen wird.
-
Abhängig davon, ob das Trägerteil 14 eine gerade oder ungerade Anzahl von Zähnen 28, 34 aufweist, gibt es eine Stelle 42 am äußeren Umfang 26, an der zwei gleich lange Zähne 28, 34 direkt aufeinander folgen. Über den restlichen äußeren Umfang 26 wechseln sich die kurzen und langen Zähne 28, 34 in ihrer Folge ab.
-
Im Gegensatz zu dem Trägerteil 14, das an der Nabe 12 angespritzt sein kann, wird der Zahnkranz 16 separat gefertigt und in einem nachfolgenden Schritt auf dem Trägerteil 14 montiert. Der Zahnkranz 16 ist ringförmig, weist vorzugsweise eine außenseitige Schrägverzahnung 44 auf und besteht aus einem elastischen und reibungsarmen Kunststoff.
-
An seinem Innenumfang 46 ist der Zahnkranz 16 abschnittsweise komplementär zum äußeren Umfang 26 des Trägerteils 14 gestaltet und weist an die Zähne 28, 34 des Trägerteils 14 angepasste Ausnehmungen 48 zur Aufnahme der Zähne 28, 34 auf, wobei die Ausnehmungen 48 durch Fortsätze 50 begrenzt werden.
-
Am Innenumfang 46 sind ferner radial abstehende, umfangsmäßig verlaufende Rastvorsprünge 52 vorgesehen, die im montierten Zustand in die Rastnut 38 des Trägerteils 14 ragen und einstückig in benachbarte Fortsätze 50 am Zahnkranz 16 übergehen. Dabei ragen die Fortsätze 50 radial weniger weit nach innen als die Rastvorsprünge 52.
-
Die Rastvorsprünge 52 sind in Umfangsrichtung am Innenumfang 46 angeordnet und werden von den Ausnehmungen 48 für die langen Zähne 28 jeweils paarweise zueinander beabstandet.
-
In einer alternativen Ausführungsform kann das Trägerteil 14 mit der Nabe 12 einstückig gefertigt sein und beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
-
In 2 ist das Schneckenrad 10 in zusammengebautem Zustand in einer Seitenansicht gezeigt, in der Zwischenräume 54 dargestellt sind, die zwischen dem Trägerteil 14 und dem Zahnkranz 16 in radialer Richtung abschnittsweise gebildet sind und in die sich der Zahnkranz 16 bei radialer Belastung in radialer Richtung elastisch hinein verformen kann. Ohne Belastung ist in den Zwischenräumen 54 Luft oder Fett.
-
Die Verformung wird in radialer Richtung durch das Trägerteil 14 und in Umfangsrichtung durch die Zähne 28, 34 begrenzt.
-
Die Zwischenräume 54 und von Hause aus vorhandene Kontaktstellen 56 (siehe 3), an denen der Zahnkranz 16 am Trägerteil 14 anliegt, wechseln sich in Umfangsrichtung ab.
-
Ferner ist in dieser Ansicht die speichenartige Struktur 20 gut zu erkennen, die jedoch nur eine von vielen möglichen Gestaltungsmöglichkeiten dieser darstellt.
-
In 3 ist eine Schnittansicht durch die Ebene A des Schneckenrads 10 aus 2 dargestellt, die zeigt, wie die Nabe 12, das Trägerteil 14 und der Zahnkranz 16 miteinander verbunden sind.
-
Die Nabe 12 sitzt spielfrei in der Ausnehmung 22 des Trägerteils 14 und wird in axialer Richtung durch die Ringe 24, die an der jeweiligen Verjüngung 18 anliegen, spielfrei gehalten. Damit auch große Drehmomente von der Nabe 12 auf das Trägerteil 14 übertragen werden können, sind beide Bauteile, je nach verwendetem Werkstoff, entweder über eine Presspassung oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Zusätzlich oder alternativ können diese auch formschlüssig, beispielsweise durch eine Zahnstruktur, drehmomentübertragend miteinander in Verbindung stehen.
-
Der Zahnkranz 16 liegt am äußeren Umfang 26 des Trägerteils 14 in radialer Richtung spielfrei an, wobei die Zwischenräume 54 gebildet sind.
-
Der Rastvorsprung 52 liegt hierbei in axialer Richtung am innenliegenden Zahnende 56 eines kurzen Zahns 34 sowie an der gegenüberliegenden Flanke der Rastnut 38 an, wodurch der Zahnkranz 16 axial in der Rastnut 38 geklemmt und damit spielfrei in axialer Richtung am Trägerteil 14 befestigt ist.
-
Der Zahnkranz 16 ist insbesondere so gelagert, dass er die im Betrieb durch die Schrägverzahnung 44 auftretenden Kräfte sowohl im Links- als auch im Rechtslauf aufnehmen kann.
-
In 4 ist eine Detailansicht des Sektors B aus der 3 dargestellt, die eine Rastvorrichtung 58 zeigt, welche durch die Rastnut 38 und den in die Rastnut 38 eingreifenden Rastvorsprung 52 ausgebildet ist.
-
Der Übergang 60 des Rastvorsprungs 52 zum Fortsatz 50 am Zahnkranz 16 sowie der Übergang 62 der Rastnut 38 zur Zahnlücke 36 am Trägerteil 14 sind als Schrägen ausgebildet.
-
Der Zahnkranz 16 liegt im Bereich der Übergange 60, 62 sowie an der dem Übergang 62 gegenüberliegenden Flanke der Rastnut 38 am Trägerteil 14 an, wodurch sich radial zwischen Rastvorsprung 52 und Rastnut 38 zumindest ein Zwischenraum 54 ergibt. Die axiale Ausdehnung der Kontaktfläche zwischen den beiden Übergängen 60, 62 beträgt dabei weniger als 10% der axialen Dicke d des Trägerteils 14.
-
Ferner ist zwischen der Zahnlücke 36 und dem Zahnkranz 16 zumindest ein weiterer Zwischenraum 54 gebildet, in den sich der Zahnkranz 16 bei radialer Belastung hinein verformen kann.
-
In 5 ist eine erfindungsgemäße Fahrzeug-Lenkvorrichtung 70 mit einem erfindungsgemäßen Schneckenrad 10 gezeigt, welche als Lenksäulenlenksystem (EPS Column Drive) ausgeführt ist.
-
Die Fahrzeug-Lenkvorrichtung 70 weist ein Lenkrad 71 auf, das über eine Lenkspindel 72 mit einem ersten Ritzel 73 verbunden ist. Das erste Ritzel 73 kämmt mit einer Zahnstangenachse 74, sodass diese durch ein am Lenkrad 71 aufgebrachtes, manuelles Lenkmoment beaufschlagt wird.
-
An der Lenkspindel 72 ist ein Lenksensor 75 angeordnet, der Lenkbewegungen erkennt und Lenkmomente messen kann.
-
Ferner ist ein Antriebsmotor mit Schneckenwelle 76 vorgesehen, um das an der Lenkspindel 72 angeordnete Schneckenrad 10 anzutreiben und so die Lenkbewegung zu unterstützen.
-
In 6 ist eine weitere erfindungsgemäße Fahrzeug-Lenkvorrichtung 80 mit einem erfindungsgemäßen Schneckenrad 10 gezeigt, welche als Ritzelantriebslenkung (EPS Pinion Drive) ausgeführt ist.
-
Die Fahrzeug-Lenkvorrichtung 80 entspricht der in 5 gezeigten Fahrzeug-Lenkvorrichtung 70, mit dem Unterschied, dass das Schneckenrad 10 und der Lenksensor 75 am ersten Ritzel 73 angeordnet sind.
-
In 7 ist eine weitere erfindungsgemäße Fahrzeug-Lenkvorrichtung 90 mit einem erfindungsgemäßen Schneckenrad 10 gezeigt, welche als Doppelritzelantriebslenkung (EPS Dual Pinion Drive) ausgeführt ist.
-
Die Fahrzeug-Lenkvorrichtung 90 entspricht der in 6 gezeigten Fahrzeug-Lenkvorrichtung 80, mit dem Unterschied, dass das Schneckenrad 10 an einem zweiten Ritzel 77 angeordnet ist, das zusätzlich zum ersten Ritzel 73 an der Zahnstangenachse 74 vorgesehen ist.
