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Die Erfindung betrifft ein Zahnstangengetriebe, insbesondere für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer Zahnstange und einem Ritzel, wobei das Ritzel in einem Ritzelgehäuse gelagert ist und in einem Inneren des Ritzelgehäuses mit der Zahnstange in Eingriff steht und wobei die Zahnstange durch zumindest eine Gehäuseöffnung aus dem Ritzelgehäuse herausragt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Lenkgetriebe mit einem derartigen Zahnstangengetriebe.
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Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das ein solches Lenkgetriebe umfasst.
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Zahnstangengetriebe an sich sowie deren Verwendung in Lenkgetrieben sind aus dem Stand der Technik bekannt. Gleiches gilt für Lenksysteme für Kraftfahrzeuge, die Lenkgetriebe mit Zahnstangengetrieben nutzen.
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Insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugindustrie unterliegen Zahnstangengetriebe stets dem Zielkonflikt zwischen einer einfachen, kostengünstigen Herstellung und einer hohen Zuverlässigkeit im Betrieb. Dies ist insbesondere dann von hoher Bedeutung, wenn ein Zahnstangengetriebe in einem Lenkgetriebe oder ein Lenksystem verwendet wird. Lenkgetriebe und Lenksysteme sind nämlich sicherheitsrelevante Baugruppen eines Kraftfahrzeugs, sodass hier Vereinfachungen und Kosteneinsparungen im Bereich der Herstellung lediglich unter Beibehaltung einer hohen Zuverlässigkeit erfolgen dürfen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Zahnstangengetriebe anzugeben, das im Betrieb eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und kostengünstig hergestellt werden kann. Damit sollen auch Lenkgetriebe und Lenksysteme geschaffen werden, die ebenfalls über eine hohe Zuverlässigkeit verfügen und in der Herstellung kostengünstig sind.
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Die Aufgabe wird durch ein Zahnstangengetriebe der eingangs genannten Art gelöst, bei dem in der Gehäuseöffnung ein Anschlagring zur Begrenzung einer Zahnstangenlängsbewegung und/oder einer Zahnstangenverkippung vorgesehen ist, der mittels eines Presssitzes im Ritzelgehäuse gehalten ist.
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Unter einer Zahnstangenlängsbewegung wird dabei diejenige Bewegung einer Zahnstange verstanden, die aus einem Antreiben derselben durch ein Ritzel resultiert. Für den Fall, dass das Zahnstangengetriebe ein Bestandteil eines Lenksystems ist, vollzieht die Zahnstange als Resultat des Einschlagens des Lenkrads eine solche Zahnstangenlängsbewegung. Um sicherzustellen, dass die Zahnstange unter allen Umständen mit dem Ritzel in Eingriff steht, muss diese Zahnstangenlängsbewegung über einen Anschlag begrenzt werden. Man spricht dabei auch von einem Endanschlag.
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Eine Zahnstangenverkippung oder Zahnstangenverschränkung bezeichnet ein Verdrehen der Zahnstange gegenüber der Richtung der Zahnstangenlängsbewegung. Ein zugeordneter Drehpunkt kann dabei im Bereich des Eingriffs zwischen Zahnstange und Ritzel liegen. Auch eine Zahnstangenverkippung muss begrenzt werden, um sicherzustellen, dass das Ritzel stets im Eingriff mit der Zahnstange bleibt.
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Die vorgenannte Begrenzung der Zahnstangenlängsbewegung und der Zahnstangenverkippung muss dabei auch für solche Fälle gewährleistet sein, in denen eine Vorrichtung, mittels der die Zahnstange im Normalbetrieb in Richtung des Ritzels kraftbeaufschlagt wird, defekt oder verloren gegangen ist. Eine derartige Vorrichtung wird auch als Druckstück oder in englischer Sprache als Yoke bezeichnet.
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Ein erfindungsgemäßes Zahnstangengetriebe gewährleistet alle vorgenannten Funktionen. Gleichzeitig ist der Anschlagring sehr einfach zu montieren. Er muss lediglich in das Ritzelgehäuse eingepresst werden. Dabei sind für den Presssitz keinerlei zusätzliche Montagelemente, z. B. in Form von Schrauben, Klipse oder Klebstoff, nötig. Folglich ist die Montage einfach und kostengünstig. Ferner erfordert der Presssitz keine oder nur eine äußerst einfache Vorbereitung der Montageflächen, die den Presssitz ausbilden. Somit können sowohl das Ritzelgehäuse, insbesondere im Bereich der Gehäuseöffnung, als auch der Anschlagring einfach und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere sind dabei keine Angriffsflächen für Montagewerkzeuge oder Ähnliches notwendig.
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Der Anschlagring kann auch als Auflager für die Zahnstange dienen, insbesondere falls diese stark gebogen wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Ritzel und die Zahnstange auch unter einer starken Biegebelastung der Zahnstange miteinander in Eingriff stehen und das Zahnstangengetriebe somit zuverlässig funktioniert.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Innenumfangsfläche des Anschlagrings eine erste Anschlagfläche zur Begrenzung der Zahnstangenverkippung. Dabei ist der Begriff „erste“ lediglich als Bezeichnung der Anschlagfläche zu verstehen. Eine Anzahl an Anschlagflächen wird dadurch nicht impliziert. Wenn die Zahnstange ausreichend stark gekippt wird, stößt sie also gegen eine Innenumfangsfläche des Anschlagrings oder einen Abschnitt davon. Dadurch ist die Zahnstangenverkippung begrenzt und ein Eingriff des Ritzels in die Zahnstange wird gewährleistet. Das Zahnstangengetriebe arbeitet somit besonders zuverlässig.
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Zusätzlich oder alternativ kann eine dem Ritzel abgewandte Seitenfläche des Anschlagrings eine zweite Anschlagfläche zur Begrenzung der Zahnstangenlängsbewegung umfassen. Der Begriff „zweite“ ist wieder lediglich als Bezeichnung der Anschlagfläche zu verstehen. Eine Anzahl an Anschlagflächen wird nicht impliziert. An der Zahnstange kann in diesem Zusammenhang eine Gegenanschlagfläche vorgesehen sein, die an der zweiten Anschlagfläche anliegt, wenn die Zahnstange das Ende ihres Längsbewegungsbereichs erreicht hat. Auch auf diese Weise lässt sich ein Zahnstangengetriebe realisieren, das eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aufweist, da das Ritzel und die Zahnstange stets miteinander in Eingriff stehen.
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Vorzugsweise ist der Anschlagring aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, insbesondere aus Polyamid. Der Anschlagring lässt sich somit durch kunststofftechnische Herstellungsverfahren produzieren, wodurch vergleichsweise geringe Herstellungskosten entstehen. Das gilt insbesondere für eine Massenproduktion von Anschlagringen. Zum Beispiel kann der Anschlagring mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden.
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Beim Kunststoffmaterial kann es sich um ein faserverstärktes Kunststoffmaterial handeln. Die Verstärkungsfasern sind dabei insbesondere Glasfasern oder Kohlefasern.
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Beispielsweise ist der Anschlagring aus dem Material PA 6.6 GF30 hergestellt.
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In einer Variante ist die Gehäuseöffnung im Wesentlichen zylinderförmig und der Presssitz besteht zwischen einer Außenumfangsfläche des Anschlagrings und einer Mantelfläche der Gehäuseöffnung. Dabei hat die Gehäuseöffnung bevorzugt die Form eines Kreiszylinders. Die Außenumfangsfläche des Anschlagrings hat dann auch im Wesentlichen die Form eines Kreiszylindermantels. In diesem Fall können die Gehäuseöffnung und der Anschlagring rotationssymmetrisch gestaltet sein, sodass beim Montieren des Anschlagrings dessen Drehorientierung unbeachtlich ist. Auf diese Weise wird eine einfache und kostengünstige Montage erreicht.
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Das Ritzelgehäuse kann mittels eines Gießverfahrens hergestellt und insbesondere im Bereich des Presssitzes unbearbeitet sein. Dabei bezieht sich die Bezeichnung des Ritzelgehäuses als „unbearbeitet“ auf den Zustand nach dem Gießen, d. h. nach dem Gießen des Ritzelgehäuses findet im Bereich des Presssitzes keine weitere Bearbeitung statt. Insbesondere wird keine spanende Bearbeitung vorgenommen. Das Ritzelgehäuse hat also im Bereich des Presssitzes eine Gießoberfläche. Das Weglassen einer ansonsten üblichen Nachbearbeitung des gegossenen Ritzelgehäuses führt zu einer Einsparung bei den Herstellungskosten. Dass eine unbearbeitete Gehäuseöffnung eventuell lediglich gröberen Toleranzen genügt als eine beispielsweise spanend nachbearbeitete Gehäuseöffnung ist offensichtlich. Der Presssitz, über den der Anschlagring im Ritzelgehäuse gehalten ist, kann jedoch auch innerhalb einer nur groben Toleranzen unterliegenden Gehäuseöffnung zuverlässig erreicht werden.
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Das Ritzelgehäuse ist beispielsweise mittels eines Aluminium-Druckgussverfahrens hergestellt.
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Gemäß einer Alternative weist der Anschlagring an seiner Außenumfangsfläche einen vollständig oder teilweise umlaufenden Befestigungswulst auf. Dabei wird unter einem Befestigungswulst ein Wulst verstanden, der der Befestigung des Anschlagrings im Ritzelgehäuse dient. Dabei ist gewollt oder zumindest in Kauf genommen, dass sich dieser Wulst beim Montieren des Anschlagrings im Ritzelgehäuse verformt. Auf diese Weise kann der Anschlagring mittels eines Presssitzes auch zuverlässig in Ritzelgehäusen montiert werden, die lediglich groben Toleranzen unterliegen. In diesem Zusammenhang werden unter einem teilweise umlaufenden Befestigungswulst einerseits Befestigungswulste verstanden, die als zusammenhängende Wulste nur einen Teil des Umfangs des Anschlagrings überspannen. Andererseits werden darunter auch solche Befestigungswulste verstanden, die gegenüber einem vollständig umlaufenden Befestigungswulst am Umfang des Anschlagrings mehrfach unterbrochen sind. Mit anderen Worten ist auch ein aus mehreren teilweise umlaufenden Befestigungswulstabschnitten aufgebauter Befestigungswulst als ein teilweise umlaufender Befestigungswulst anzusehen.
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Das Ritzelgehäuse ist im Bereich des Presssitzes insbesondere nutfrei ausgebildet. Es ist also keine Nut oder Ausnehmung vorgesehen, in die der Befestigungswulst gehäuseseitig eingreifen könnte. Somit ist das Ritzelgehäuse besonders einfach aufgebaut.
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Das Ritzelgehäuse kann eine Anlagefläche aufweisen, an der eine dem Ritzel zugewandte Seitenfläche des Anschlagrings anliegt, insbesondere wobei die Anlagefläche Bestandteil einer Anlageschulter des Ritzelgehäuses ist. Mithilfe dieser Anlagefläche kann der Anschlagring auf einfache Weise im Ritzelgehäuse positioniert werden. Er wird hierfür ins Gehäuse eingepresst bis er an der Anlagefläche anliegt. Dadurch ist die Montage des Anschlagrings besonders leicht.
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Gemäß einer Gestaltungsalternative ist vorgesehen, dass der Anschlagring zumindest eine Kavität aufweist, die zwischen einer Außenumfangsfläche und einer Innenumfangsfläche des Anschlagrings positioniert ist, insbesondere wobei eine Tiefenrichtung der Kavität parallel zu einer Ringmittelachse verläuft. Durch eine derartige Kavität wird zunächst einmal Material eingespart. Dadurch wird erreicht, dass der Anschlagring leicht im Gewicht ist. Hinzu kommt, dass ein mit einer solchen Kavität ausgestatteter Anschlagring insbesondere mittels kunststofftechnischer Herstellungsverfahren leicht hergestellt werden kann. Durch die Kavität können nämlich insbesondere vergleichsweise massive Abschnitte des Anschlagrings vermieden werden. Ebenso kann der Anschlagring mit im Wesentlichen gleich großen Wandstärken gestaltet werden. Dadurch wird die Bildung von unerwünschten Einschlüssen und Poren verhindert. Darüber hinaus kann über eine oder mehrere Kavitäten die Elastizität sowie die Steifigkeit des Anschlagrings richtungsabhängig eingestellt werden. Das gilt insbesondere in axialer Richtung des Anschlagrings, also in derjenigen Richtung, in der der Anschlagring eine Zahnstangenlängsbewegung begrenzt, als auch in radialer Richtung des Anschlagrings, also in derjenigen Richtung, in der der Anschlagring eine Zahnstangenverkippung begrenzt. Auf diese Weise können die vom Anschlagring bereitgestellten Anschläge mit einer einstellbaren „Härte“ ausgeführt werden.
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Die Kavität kann dabei axial durchgängig und somit im weitesten Sinne als Durchgangsloch ausgeführt sein. Alternativ kann die Kavität axial nicht durchgängig und somit im weitesten Sinne als Sackloch ausgebildet sein. Anschlagringe gemäß beider Alternativen sind einfach und kostengünstig herstellbar. Insbesondere lässt sich durch die Auswahl einer der vorgenannten Alternativen auch die Elastizität und Steifigkeit des Anschlagrings gezielt beeinflussen.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Lenkgetriebe der eingangs genannten Art gelöst, das mit einem erfindungsgemäßen Zahnstangengetriebe ausgestattet ist. Dadurch, dass das erfindungsgemäße Zahnstangengetriebe eine hohe Zuverlässigkeit mit geringen Herstellungskosten vereint, ist auch ein damit ausgestattetes Lenkgetriebe zuverlässig im Betrieb und kostengünstig herstellbar.
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Weiter wird die Aufgabe durch ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art gelöst, das ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe aufweist, insbesondere wobei das Lenksystem als elektrisch angetriebene Servolenkung ausgeführt ist. Die bereits hinsichtlich des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes genannten Effekte und Vorteile wirken sich auch auf das Lenksystem aus, sodass dieses einerseits über eine hohe Zuverlässigkeit verfügt und andererseits kostengünstig herstellbar ist. In diesem Zusammenhang werden Lenksysteme, die als elektrisch angetriebene Servolenkung ausgeführt sind, auch als EPS (engl. Electrical Power Steering) bezeichnet. Bevorzugt ist das Lenksystem dabei als sogenannte Doppelritzellenkung ausgeführt. Es wirkt also das Lenkrad über ein erstes Ritzel auf die Zahnstange und der elektrische Hilfsmotor über ein zweites Ritzel.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiels erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäßes Lenksystem mit einem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe, das ein erfindungsgemäßes Zahnstangengetriebe umfasst,
- - 2 das Zahnstangengetriebe aus 1 in einer geschnittenen Darstellung,
- - 3 einen Anschlagring des Zahnstangengetriebes aus 2 gemäß einer gegenüber der Variante aus 2 leicht modifizierten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht und
- - 4 den Anschlagring aus 3 in einer weiteren perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt ein Lenksystem 10 für ein Kraftfahrzeug, das als elektrisch angetriebene Servolenkung ausgeführt ist.
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Es umfasst einen Elektromotor 12, mittels dem ein über ein Lenkrad 14 von einem Fahrer eingebrachtes Lenkmoment dahingehend unterstützt oder ergänzt werden kann, dass mittels des Elektromotors 12 eine zusätzliche Lenkkraft auf zu lenkende Räder ausgeübt werden kann.
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Das Lenksystem 10 weist dabei zwei Lenkgetriebe auf, wobei ein erstes Lenkgetriebe 16 dazu dient, ein über das Lenkrad 14 eingebrachtes Lenkmoment auf zu lenkende Räder zu übertragen.
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Ein zweites Lenkgetriebe 18 dient dazu, das vom Elektromotor 12 generierte Moment auf die zu lenkenden Räder zu übertragen.
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Beide Lenkgetriebe sind als Zahnstangengetriebe ausgeführt, wobei jedoch die jeweils zugehörigen Zahnstangen fest miteinander verbunden sind oder lediglich eine einzige Zahnstange für beide Lenkgetriebe 16, 18 verwendet wird.
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Man spricht bei derartigen Lenksystemen auch von Doppelritzellenkungen, da die gemeinsame Zahnstange oder der gemeinsame Zahnstangenverbund mit zwei Ritzeln interagiert.
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2 zeigt ein Zahnstangengetriebe 20, das sowohl Bestandteil des ersten Lenkgetriebes 16 als auch Bestandteil des zweiten Lenkgetriebes 18 sein kann.
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Es umfasst eine Zahnstange 22, die mit einem Ritzel 24 in Eingriff steht. Dabei sind sowohl die Zahnstange 22 als auch das Ritzel 24 in einem sogenannten Ritzelgehäuse 26 gelagert.
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Um für ein zuverlässiges Zusammenwirken von Zahnstange 22 und Ritzel 24 zu sorgen, ist die Zahnstange mittels eines Druckstücks 28 in Richtung des Ritzels 24 kraftbeaufschlagt.
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Derjenige Bereich, in dem die Zahnstange 22 mit dem Ritzel 24 in Eingriff steht, liegt in einem Inneren des Ritzelgehäuses 26.
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Die Zahnstange 22 liegt dabei jedoch nicht vollständig innerhalb des Ritzelgehäuses 26, sondern ragt durch eine Gehäuseöffnung 30 aus diesem heraus.
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Um sowohl eine Zahnstangenlängsbewegung, die im Wesentlichen entlang einer mittels eines Pfeils 32 veranschaulichten Richtung erfolgt, als auch eine Zahnstangenverkippung, die mittels eines Pfeils 34 symbolisiert ist, zu begrenzen, ist in der Gehäuseöffnung 30 ein Anschlagring 36 vorgesehen.
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In diesem Zusammenhang kann die Zahnstangenverkippung auch als Zahnstangenverschränkung bezeichnet werden. Beide Begriffe sind als Synonyme zu verstehen.
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Der Anschlagring 36 ist mittels eines Presssitzes 37 im Ritzelgehäuse 26 gehalten.
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In der dargestellten Ausführungsform ist dabei die Gehäuseöffnung 30 im Wesentlichen kreiszylinderförmig gestaltet. Der Presssitz 37 besteht somit zwischen einer Außenumfangsfläche 38 des Anschlagrings 36 und einer Mantelfläche 40 der Gehäuseöffnung 30.
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Ferner liegt der Anschlagring mit einer dem Ritzel 24 zugewandten Seitenfläche 42 an einer Anlagefläche 44 des Ritzelgehäuses 26 an.
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Dabei ist die Anlagefläche 44 als Seitenfläche einer Anlageschulter 46 geformt.
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Mit Bezug auf eine Ringmittelachse A-A (siehe 3 und 4) ist der Anschlagring 36 also in axialer Richtung über die Anlageschulter 46 im Ritzelgehäuse 26 positioniert und der Presssitz 37 ist am Umfang des Anschlagrings 36 ausgebildet.
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Um die Zahnstangenverkippung zu begrenzen, umfasst eine Innenumfangsfläche 48 des Anschlagrings 36 eine erste Anschlagfläche. In der dargestellten Ausführungsform ist die gesamte Innenumfangsfläche 48 als erste Anschlagfläche ausgebildet.
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Wenn also die Zahnstange 22 entsprechend der durch den Pfeil 34 symbolisierten Richtung gekippt wird, stößt sie an der Innenumfangsfläche 48 an, wodurch diese Art der Bewegung begrenzt ist.
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Die Zahnstangenlängsbewegung entlang der durch den Pfeil 32 angedeuteten Richtung ist mittels einer dem Ritzel 24 abgewandten Seitenfläche 50 des Anschlagrings 36 begrenzt. Diese Seitenfläche 50 umfasst eine zweite Anschlagfläche. In der dargestellten Ausführungsform ist die Seitenfläche 50 als Ganzes als zweite Anschlagfläche ausgebildet. Diese wirkt zur Begrenzung der Zahnstangenlängsbewegung mit einer Gegenanschlagfläche 52 der Zahnstange 22 zusammen.
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Der Anschlagring 36 ist vorliegend aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, wobei in der dargestellten Ausführungsform glasfaserverstärktes Polyamid verwendet wird.
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Als Herstellungsverfahren wird ein Spritzgussverfahren genutzt.
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Dabei ist der Anschlagring 36 nicht massiv ausgeführt, sondern umfasst Kavitäten 54, die zwischen der Außenumfangsfläche 38 und der Innenumfangsfläche 48 positioniert sind.
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Auf diese Weise können alle Wandstärken des Anschlagrings 36 im Wesentlichen gleich groß gewählt werden, was der Porenbildung sowie Einschlüssen im Zuge des Spritzgießens entgegenwirkt.
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Eine Tiefenrichtung der Kavitäten 54 verläuft in Richtung der Ringmittelachse A-A.
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Bei der Ausführungsform des Anschlagrings 36 gemäß 2 sind die Kavitäten 54 axial durchgängig, sozusagen als Durchgangslöcher, ausgeführt.
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Demgegenüber ist der Anschlagring 36 gemäß 3 und 4 leicht modifiziert. Hier sind die Kavitäten 54 axial nicht mehr durchgängig. Sie sind als Sacklöcher ausgebildet.
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In beiden dargestellten Varianten umfasst der Anschlagring 36 an seiner Außenumfangsfläche 38 einen vollständig umlaufenden Befestigungswulst 56.
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Dieser dient der Befestigung des Anschlagrings 36 in der Gehäuseöffnung 30 und wird beim Einpressen des Anschlagrings 36 deformiert.
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Das Ritzelgehäuse 26 ist mittels eines Gießverfahrens hergestellt. Dabei ist es im Bereich des Presssitzes 37 unbearbeitet. Das bedeutet, dass im Bereich des Presssitzes 37 nach dem gießtechnischen Herstellen des Ritzelgehäuses 26 keinerlei weiterführende Bearbeitung stattfindet, insbesondere keine spanende Bearbeitung.
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Aufgrund der Geometrie und des gewählten Materials des Anschlagrings 36 kann dieser trotzdem zuverlässig in der Gehäuseöffnung 30 gehalten werden.
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Das Zahnstangengetriebe 20 lässt sich somit folgendermaßen herstellen:
- Zunächst wird das Ritzelgehäuse gegossen, z. B. aus Aluminium-Druckguss.
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Ferner wird der Anschlagring 36 in einem Spritzgussverfahren hergestellt.
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Sodann wird der Anschlagring 36 entlang seiner Ringmittelachse A-A in die Gehäuseöffnung 30 eingeschoben oder eingepresst, bis dessen Seitenfläche 42 an der Anlageschulter 46 anliegt. Dabei verformt sich der Befestigungswulst 56.
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Eine Bearbeitung der Gehäuseöffnung 30, die sich an das Gießen anschließt, erfolgt nicht.
