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Die Erfindung betrifft ein Schneckenrad für eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 sowie eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung mit einem solchen Schneckenrad.
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Ein derartiges Schneckenrad bzw. eine solche Fahrzeug-Lenkvorrichtung ist aus der
DE 101 22 144 A1 bekannt.
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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 mechanische 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. Um den Zahnkranz sicher auf dem Trägerteil zu befestigen, sind am Trägerteil Befestigungseinrichtungen, wie beispielsweise Rastkanten und Hinterschneidungen, notwendig.
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Die beiden Varianten von Schneckenrädern haben dabei jeweils ihre eignen Vor- und Nachteile. Die Variante mit einem Trägerteil aus Metall hat den Vorteil, dass die Nabe bereits als Teil des Trägerteils ausgeführt sein kann. Zusätzlich weist sie günstige mechanische Eigenschaften über einen großen Temperaturbereich auf. Der Nachteil der Variante besteht darin, dass die notwendigen Befestigungseinrichtungen für den Zahnkranz mit großem Fertigungsaufwand und dadurch hohen Herstellkosten verbunden sind.
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Die Variante mit einem Trägerteil aus Kunststoff kann auf der anderen Seite günstiger gefertigt werden. Sie hat jedoch die Nachteile, dass das Trägerteil zusätzlich mit der Nabe aus Metall verbunden werden muss, und dass es schlechtere mechanische Eigenschaften als das Trägerteil aus Metall im relevanten Temperaturbereich aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schneckenrad bereitzustellen, das die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der Schneckenräder mit Trägerteilen aus Metall mit den günstigen Herstellkosten der Schneckenräder mit Trägerteilen aus Kunststoff kombiniert.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Schneckenrads nach Patentanspruch 1 und mittels einer Fahrzeug-Lenkvorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Schneckenrad für eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung vorgesehen, mit einem Trägerteil, welches eine Nabe aufweist, und einem am äußeren Umfang des Trägerteils angespritzten, geschlossen umlaufenden Zahnkranz aus einem Thermoplast, der umfangsseitig eine Schrägverzahnung aufweist. Dabei ist das Trägerteil mit dem Zahnkranz drehmomentübertragend verbunden und das, insbesondere einstückige, Trägerteil ist ein metallisches Sinterteil. Indem das Trägerteil mittels Sintertechnik hergestellt wird, kann das Trägerteil aus Metall, trotz der notwendigen Befestigungseinrichtungen, kostengünstig hergestellt werden. Zusätzlich kann so der Kunststoffanteil des Schneckenrads gesenkt und damit dessen Präzision erhöht werden.
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Vorzugsweise hat das Trägerteil axial durchgehende Ausnehmungen, wobei diese derart ausgebildet sind, dass hierdurch die strukturellen und mechanischen Eigenschaften des Trägerteils nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Der Vorteil der Ausnehmungen liegt darin, dass sich hierdurch das verwendete Material für das Trägerteil reduziert, wodurch eine Gewichtsreduktion und geringere Materialkosten erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich der Zahnkranz axial durch zumindest einige der Ausnehmungen. Auf diese Weise durchgreift der Zahnkranz das Trägerteil zumindest abschnittsweise vollständig und gewährleistet damit einen sicheren und festen Sitz des Zahnkranzes auf dem Trägerteil.
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Erfindungsgemäß weist das Trägerteil zwischen einer innenseitigen Nabe und dem als Ring ausgeführten Umfang Speichen auf. Diese Speichen dienen dazu, äußere Belastungen aufzunehmen und Kräfte von der Nabe auf den Zahnkranz zu übertragen.
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Der Ring kann vollständig vom Zahnkranz ummantelt sein. Hierdurch wird verhindert, dass der Zahnkranz auf dem Trägerteil verrutscht oder sich von diesem löst. Vollständig ummantelt bedeutet, dass der Zahnkranz den Ring am Außenumfang und an beiden axialen Seiten sowie, falls Ausnehmungen im Trägerteil vorhanden sind, an der radialen Innenseite des Rings abdeckt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die Speichen zumindest am Übergang zum Ring eine geringere axiale Breite als der Ring. Insbesondere kann das Trägerteil hierdurch eine durchgehende, geschlossen umlaufende Fläche auf der radialen Innenseite des Rings aufweisen. Dadurch weist der Ring auch am Übergang zu den Speichen eine Kante oder einen Absatz auf, an der beziehungsweise an dem der Zahnkranz anliegen und welche beziehungsweise welcher radiale Kräfte aufnehmen kann.
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Erfindungsgemäß nimmt die Querschnittsfläche der Speichen radial nach außen zu. Unter der Querschnittsfläche wird hier die Schnittfläche verstanden, die orthogonal zur radialen Ausdehnungsrichtung der Speiche verläuft, und damit die kleinste Schnittfläche der Speiche bei einem gegebenen radialen Abstand zur Rotationsachse aufweist. Auf diese Weise wird der Massenschwerpunkt der Speichen radial nach außen verlagert, wodurch beispielsweise die Dreh- und Trägheitsmomente zunehmen.
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Vorzugsweise weist das Trägerteil am Außenumfang vorstehende Fortsätze, insbesondere in Form einer Umfangsverzahnung, auf, die formschlüssig in den Zahnkranz eingebettet sind. Die Fortsätze verlaufen dabei insbesondere von einem axialen Ende des Trägerteils am Außenumfang bis zu einem entgegengesetzten axialen Ende des Trägerteils am Außenumfang. Die Fortsätze garantieren eine optimale Übertragung des Drehmoments und erhöhen die Festigkeit der Zähne des Zahnkranzes, indem sie diese verstärken.
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Der Zahnkranz besteht beispielsweise aus Kunststoff und ist insbesondere einstückig. Hierdurch kann der Zahnkranz einfach und kostengünstig gefertigt werden, indem er direkt auf das Trägerteil gespritzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Zähne der Schrägverzahnung von einem axialen Ende des Zahnkranzes bis zu einem entgegengesetzten axialen Ende des Zahnkranzes und/oder deren Dicke nimmt in Umfangsrichtung gemessen mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse stetig ab. Diese Geometrie der Zähne bietet eine optimale Übertragung des Drehmoments und sorgt gleichzeitig für einen geräuscharmen Lauf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Nabe des Trägerteils zumindest abschnittsweise in axialer Richtung mindestens so breit wie der Zahnkranz. Auf diese Weise können axiale Kräfte und Kippmomente besser kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Schneckenrad vorgesehen.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Trägerteils eines erfindungsgemäßen Schneckenrads,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Zahnkranzes eines erfindungsgemäßen Schneckenrads,
- 3 ein erfindungsgemäßes Schneckenrad, bestehend aus dem Trägerteil aus 1 und dem Zahnkranz aus 2, in einer perspektivischen Ansicht mit einem Ausschnitt,
- 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneckenrads, und
- 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Lenksystems.
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Ein erfindungsgemäßes Schneckenrad 10 für eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung umfasst ein Trägerteil 12 sowie einen daran angespritzten Zahnkranz 14 (siehe 3) aus einem Thermoplast.
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In 1 ist ein Trägerteil 12 gezeigt, das die Grundform einer kreisförmigen Scheibe aufweist, die symmetrisch um eine Rotationsachse A gestaltet ist.
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Das Trägerteil 12 ist einstückig und wurde mittels Sintertechnik aus einem Metallpulver hergestellt.
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In der Mitte des Trägerteils 12 befindet sich eine kreiszylinderförmige Nabe 16 mit einem kreisförmigen Durchgangsloch in Richtung der Rotationsachse A, das für die Aufnahme einer Welle vorgesehen ist.
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Auf der Mantelfläche der Nabe 16 sind in axialer Mitte der Nabe in gleichförmigen Abständen in Umfangsrichtung mehrere Speichen 18 angeordnet, die sich radial zur Rotationsachse nach außen zu einem umfangsmäßig geschlossenen Ring 20 hin erstrecken und auf diese Weise mehrere axial durchführende Ausnehmungen 22 im Trägerteil 12 bilden.
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Am Außenumfang 24 des Rings 20 weist das Trägerteil 12 sich in radialer Richtung erstreckende Fortsätze 26 auf, die in Form einer Umfangsverzahnung ausgeführt sind.
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Die Fortsätze 26 sind hinterschnittsfrei ausgeführt und die Dicke d1 der Fortsätze 26 nimmt, in Umfangsrichtung gemessen, mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse A stetig ab.
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Ferner verlaufen die Fortsätze 26 von einem axialen Ende 30 des Trägerteils 12 am Außenumfang 24 bis zu einem entgegengesetzten axialen Ende 32 des Trägerteils 12 am Außenumfang 24.
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Die Ausrichtung der Fortsätze 26 ist parallel zur Rotationsachse A. Die Fortsätze 26 können aber auch in einem Winkel angeordnet sein, beispielsweise in Form einer Schrägverzahnung.
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Die axiale Breite des Rings 20 ist am Übergang zu den Speichen 18 größer als die axiale Breite der Speichen 18. Hierdurch weist das Trägerteil 12 am Übergang des Rings 20 zu den Speichen 18 auf jeder axialen Seite eine umlaufende Kante 34 (auch Absatz genannt) auf, die am Innendurchmesser des Rings 20 ununterbrochen umläuft (siehe auch 3).
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Die Speichen 18 haben eine konstante axiale Breite, werden aber mit zunehmendem radialen Abstand zur Rotationsachse A in Umfangsrichtung breiter. Somit nimmt der Querschnitt der Speichen 18 senkrecht zu ihrer radialen Ausdehnung in Richtung Ring 20 zu.
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Andere Gestaltungen des Trägerteils 12 sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich.
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In 2 ist ein einstückiger Zahnkranz 14 gezeigt, der aus einem elastischen Kunststoff mit abriebs- und reibungsoptimierten Eigenschaften besteht.
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Der Zahnkranz 14 weist einen ringförmigen Grundkörper 36 mit einem rechteckigen Querschnitt auf, der rotationssymmetrisch um die Rotationsachse A angeordnet ist.
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Der Grundkörper 36 hat an seinem Außenumfang Zähne 38 mit einer Schrägverzahnung.
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Die Zähne 38 erstrecken sich von einem axialen Ende 40 des Zahnkranzes 14 bis zu einem entgegengesetzten axialen Ende 42 des Zahnkranzes 14.
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Ferner sind die Zähne 38 hinterschnittsfrei ausgeführt und die Dicke d2 der Zähne 38 nimmt, in Umfangsrichtung gemessen, mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse A stetig ab.
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In 3 ist ein Schneckenrad 10 gezeigt, das aus dem Trägerteil 12 aus 1 und dem Zahnkranz 14 aus 2 besteht.
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Der Zahnkranz 14 wurde in einem Spritzgussverfahren am Außenumfang 24 am Trägerteil 12 angespritzt und ist mit diesem formschlüssig und drehmomentübertragend verbunden.
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Der geschlossen umlaufende Zahnkranz 14 ummantelt den Ring 20 vollständig, wobei die Fortsätze 26 jeweils in die umfangsseitige Schrägverzahnung eingreifen und so die Zähne 38 verstärken.
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Hierbei erstreckt sich der Zahnkranz 14 axial durch die Ausnehmungen 22 und führt auf diese Weise zu einem festen Sitz des Zahnkranzes 14 sowie zu einer optimalen Aufnahme der Kräfte bei Belastung.
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Die Nabe 16 des Trägerteils 12 ist in axialer Richtung mindestens so breit wie der Zahnkranz 14.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schneckenrads 10, in der das Trägerteil 12 kreisförmige Ausnehmungen 22 mit verschiedenen Durchmessern aufweist, zwischen denen Speichen 18 gebildet sind.
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Die Ausnehmungen 22 sind symmetrisch um die Rotationsachse A angeordnet und bilden Speichen 18 mit variierender Breite in Umfangsrichtung.
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Bis auf die in axialer Richtung hervorstehende Nabe 16, weist das Trägerteil 12 eine konstante axiale Breite auf.
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Der Zahnkranz 14 ist wie in der ersten Ausführungsform (siehe 3) am äußeren Umfang an das Trägerteil 12 angespritzt und mit diesem drehmomentübertragend verbunden.
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Der geschlossen umlaufende Zahnkranz 14 umschließt hierbei die (nicht dargestellten) am Außenumfang des Trägerteils 12 vorstehenden Fortsätze, die jeweils in die umfangsseitige Schrägverzahnung eingreifen und so die Zähne 38 verstärken.
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Anders als in der in 3 gezeigten Ausführungsform, durchgreift der Zahnkranz 14 das Trägerteil 12 nicht, sondern liegt lediglich axial an diesem an.
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Die 5 zeigt eine Fahrzeug-Lenkvorrichtung 50, bei dem ein Lenkrad 52 über eine Lenkspindel 54 mit einem Schneckenrad 10 verbunden ist. Das Schneckenrad 10 kämmt mit einer Zahnstange 56, sodass diese durch ein am Lenkrad 52 aufgebrachtes, manuelles Lenkmoment beaufschlagt wird.
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Die Zahnstange 56 ist an ihren axialen Enden über Spurstangen 58 mit lenkbaren Rädern 60 eines Fahrzeugs gekoppelt, wobei die Zahnstange 56 durch jeweils ein Kugelgelenk 62 mit den Spurstangen 58 verbunden ist.
