DE10326819A1

DE10326819A1 - Zahnrad für ein Lenksystem-Getriebe

Info

Publication number: DE10326819A1
Application number: DE2003126819
Authority: DE
Inventors: Werner Breitweg; Arthur Rupp
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2004-12-30

Abstract

Es wird ein Zahnrad für ein Getriebe, insbesondere ein Schnecken- oder Schraubradgetriebe, in einem Lenksystem, insbesondere in einem Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das geräuscharme Laufeigenschaften aufweist und dennoch einfach herzustellen ist und das für höhere Lastdrehmomente einen gesicherten Eingriff ermöglicht. DOLLAR A Das Zahnrad (GW1) ist so aufgebaut, dass es zumindest im Verzahnungsbereich (T) verschiedene Werkstoffmaterialien (MA, MB) umfasst, wobei der Verzahnungsbereich in axialer Richtung in zwei äußere Verzahnungsbereiche (TA) und in mindestens einen inneren Verzahnungsbereich (TB) unterteilt ist und wobei in den äußeren Verzahnungsbereichen (TA) ein erstes Werkstoffmaterial (MA) vorgesehen ist, das härter ist als ein zweites Werkstoffmaterial (MB), das in dem inneren Verzahnungsbereich (TB) vorgesehen ist. DOLLAR A Durch diese konstruktiven Maßnahmen kommt bei Normalbelastung des Getriebes zunächst der innere Verzahnungsbereich (TB) mit dem weicheren und elastischeren Material (MB) zum Eingriff. Erst unter Hochbelastung, insbesondere in Notsituationen, tragen die beiden äußeren härteren Zahnsegmente (TA). Der prinzipielle Aufbau des hier vorgeschlagenen Zahnrades erfolgt entgegengesetzt zu dem bekannten Aufbau eines Verbundzahnrades. Bei dem erfindungsgemäßen Zahnrad (GW1) ist es nicht erforderlich, dass die weicheren (inneren) Abschnitte in radialer Umfangsrichtung des Verzahnungsbereiches hervorstehen müssen, um im Normallastfall den ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für ein Getriebe, insbesondere für ein Schnecken- oder Schraubradgetriebe, in einem Lenksystem, insbesondere in einem Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Außerdem betrifft die Erfindung ein mit einem solchen Zahnrad ausgestattetes Getriebe, das ein hydraulisch oder elektromotorisch angetriebenes Schneckenradgetriebe oder Schraubradgetriebe ist, sowie eine damit ausgestattetes Lenksystem, insbesondere ein Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug nach einem der Oberbegriffe der nebengeordneten Ansprüche.

Zahnräder für Getriebe sind in vielerlei Ausgestaltungen bekannt, dessen Konstruktionen auf den jeweiligen Anwendungsfall hin optimiert sind. Im Bereich der Lenksysteme werden Zahnräder in Lenkgetrieben und Servogetrieben eingesetzt, wo sie einer großen mechanischen Belastung ausgesetzt sind und hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen genügen müssen. Das gilt vor allem auch in Hilfskraft- oder auch Fremdkraftlenksystemen, wo hydraulisch oder elektromotorisch angetriebene Servogetriebe, vorzugsweise Schnecken- oder Schraubradgetriebe eingesetzt werden, bei denen das Zahnrad kämmend in die Schnecke bzw. die Schraube eingreift und dort besonders hohen Materialbelastungen ausgesetzt ist. Hinzu kommen die Anforderungen, wonach die ineinander greifenden Getriebeteile möglichst geringe Störgeräusche verursachen sollen.

Ein besonders geräuscharmes Getriebe für ein Lenksystem ist aus der DE 198 35 121 A1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen die Zahnräder als Evolventenräder auszubilden, die in entsprechende Evolventenschnecken eingreifen. Jedoch ist über die Materialbeschaffenheit der Zahnräder dort nichts näheres beschrieben.

Aus der DE 100 56 133 A1 ist bekannt, in einem Schneckengetriebe für eine Elektrolenkung ein aus mehreren Komponenten zusammen gesetztes Schneckenrad zu verwenden. Diese als Schneckenrad ausgebildete Zahnrad umfasst eine aus zwei Kupplungsteilen bestehende elastische Ausgleichskupplung, die eine radiale und axiale Entkopplung des Zahnkranzes von der Zahnradnabe bewirkt. Durch diese Maßnahmen, die vor allem dem inneren Aufbau des Zahnrades betreffen und weniger die Konstruktion des eingreifenden Zahnkranzes, werden sehr effektive Körperschallentkopplung und Endanschlagsdämpfung erreicht.

Ein Zahnrad mit einem besonderen Ausgestaltung, nämlich ein Verbundzahnrad, ist aus der DE 697 04 941 T2 bekannt. Für den Aufbau eines solchen Verbundzahnrades (siehe dortige 3 und 9) werden verschiedene Werkstoffmaterialien verwendet. Es wird dort vorgeschlagen, das Zahnrad durch mehrere radial angeordnete Materialschichten zusammen zu setzen, wobei die inneren Schichten aus einem Metall und die äußeren Schichten aus einem thermoplastischen Material, wie z.B. aus Nylon, bestehen. Damit entsteht ein Zahnrad mit einem inneren festen Zahnabschnitt und mit äußeren weicheren Zahnabschnitten. Die weichen Außenbereiche aus Nylon sind gegenüber dem metallischen Innenbereichen hervorstehend ausgeprägt, so dass beim Eingriff des Zahnrades unter Normalbelastung lediglich die weicheren Zahnabschnitt kämmen. Dadurch entstehen bei Normallast nur geringe Laufgeräusche. Im Falle von hohen Lastdrehmomenten geben die äußeren elastischen Zahnabschnitte nach und es kommen die härteren inneren Metallabschnitte zum Eingriff. Somit ist eine Notlaufeigenschaft gesichert. Auf den Einsatz solcher derart gestalteter Verbundzahnräder in Lenksysteme-Getrieben, insbesondere in Schnecken- und Schraubradgetrieben, wird jedoch nicht eingegangen. Zudem kommt hinzu, dass bei dem dort beschriebenen mehrschichtige Aufbau die äußeren weichen Schichten hervorstehen müssen, damit die inneren harten Schichten nicht bereits bei Normallast eingreifen, sodern erst bei einer Hochlastsituation (Notlaufsituation). Diese bekannte Konstruktion erfordert daher einen gewissen Aufwand bei der Herstellung solcher Verbundzahnräder.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zahnrad für ein Getriebe, insbesondere für ein Schnecken- oder Schraubradgetriebe, in einem Lenksystem, insbesondere in einem Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, das geräuscharme Laufeigenschaften aufweist und dennoch einfach herzustellen ist und das für höhere Lastdrehmomente einen gesicherten Eingriff ermöglicht.

Außerdem sollen ein mit einem solchen Zahnrad ausgestattetes Getriebe und ein damit versehenes Lenksystem vorgeschlagen werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Getriebe und ein Lenksystem mit den Merkmalen eines der nebengeordneten Ansprüche.

Demnach wird für ein Getriebe in einer Lenkung ein Zahnrad vorgeschlagen, das einen Verzahnungsbereich aufweist, der zwei oder mehr verschiedene Werkstoffmaterialien umfasst, wobei zumindest dieser Verzahnungsbereich in axialer Richtung in zwei äußere Verzahnungsbereiche und mindestens einen inneren Verzahnungsbereich unterteilt ist und wobei in den äußeren Verzahnungsbereichen ein erstes Werkstoffmaterial vorgesehen ist, das härter ist als ein zweites Werkstoftmaterial, das in dem inneren Verzahnungsbereich vorgesehenen ist.

Durch diese konstruktiven Maßnahmen kommt bei Normalbelastung des Getriebes das im inneren Verzahnungsbereich angeordnete weichere und damit elastischere Matrial zum Eingriff. Im Hochlastbereich, insbesondere im Noteingriff, tragen die beiden äußeren härteren Zahnsegmente. Der prinzipielle Aufbau des hier vorgeschlagenen Zahnrades erfolgt also entgegengesetzt zu dem bekannten Aufbau eines Verbundzahnrades. Bei dem erfindungsgemäßen Zahnrad ist es nicht erforderlich, dass die weicheren (inneren) Abschnitte in radialer Umfangsrichtung des Verzahnungsbereiches hervorstehen müssen, um im Normallastfall den Eingriff des härteren Materials zu verhindern, was eine größere Geräuschentwicklung zur Folge hätte. Die Verzahnung kann für beide Bereiche identisch ausgeformt sein, was die Herstellung des Zahnrades deutlich vereinfacht. Da das vorgeschlagene Zahnrad bei einem Schnecken- oder Schraubradgetriebe zu Einsatz kommt, kämmt im Normallastfall lediglich der mittlere Abschnitt der Verzahnung mit der Schnecke bzw. Schraube. Nur im Hochlastfall wird das innere elastische Material soweit gestaucht, dass nun auch die äußeren Bereiche zum Noteingriff kommen. Der prinzipielle Aufbau des hier vorgeschlagenen Zahnrades ist im Vergleich zu dem Aufbau der bekannten Verbundzahnräder wesentlich einfacher zu realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach ist es von Vorteil, wenn das erste Werkstoffmaterial ein Metallwerkstoff ist und wenn das zweite Werkstoffmaterial ein Kunststoff ist. Ebenso zweckmäßig es, wenn das erste Werkstoffmaterial ein faserverstärkter Kunststoff ist und wenn das zweite Werkstoffmaterial ein nicht-faserverstärkter Kunststoff ist. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn nicht nur der Verzahnungsbereich selbst, sondern ganze Zahnrad in axialer Richtung in zwei äußere Bereiche und mindestens einen inneren Bereich unterteilt ist und wenn in den ganzen äußeren Bereichen der erster Werkstofmaterial vorgesehen ist, das härter ist als das zweite Werkstoffmaterial, das in dem ganzen inneren Bereich vorgesehenen ist. Damit ließe sich ein Kunststoff-Verbundzahnrad durch einfache Verfahren, wie etwa durch schichtweises Laminieren, herstellen.

Eine besonders zweckmäßige Konstruktion ergibt sich, wenn das Zahnrad aus einem Basisteil mit äußeren Zahnsegmenten und einem inneren Einlegeteil mit inneren Zahnsegmenten zusammengesetzt ist und wenn das Basisteil aus dem ersten Werkstoffmaterial und das Einlegeteil aus dem zweiten Werkstoffmaterial gefertigt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich das Basisteil die Nabe des Zahnrades umfasst und wenn dort mindestens ein Flansch angeordnet ist, der für eine Befestigung des Zahnrades auf einer Welle vorgesehen ist. Zudem ist es von Vorteil, wenn das Basisteil und das Einlegeteil ineinander greifende Profilierungen aufweisen.

Nachfolgend wird die Erfindung näher beschrieben anhand von zwei Ausführungsbeispielen und unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen:

1 zeigt im Querschnitt den schematischen Aufbau eines ersten erfindungsgemäßen Zahnrades für ein Lenksystem-Getriebe,

2a u. 2b zeigen den schematischen Aufbau eines zweiten erfindungsgemäßen Zahnrades in einer ersten Ansicht, und

3a u. 3b zeigen den schematischen Aufbau des zweiten erfindungsgemäßen Zahnrades in einer zweiten Ansicht.

Die 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel ein Zahnrad GW1, das als Ganzes in drei Bereiche unterteilt ist, so dass sich in axialer Richtung drei Materialschichten erstrecken. Erfindungsgemäß soll zumindest im Verzahnungsbereich T, dieser mehrschichtige Aufbau gegeben sein. In diesem ersten Beispiel ist sogar das ganze Zahnrad in scheibenförmige Bereiche unterteilt. Die äußeren Bereiche TA sind aus einem härteren Material gebildet, vorzugsweise aus Metall, und die inneren Bereiche TB sind aus einem weicheren Material, vorzugsweise aus Kunststoff, gebildet. Der mehrschichtige Aufbau des Zahnrades GW1 bewirkt, das bei Normalbelastung lediglich der innere weichere, elastischere Bereich TB zum Eingriff kommt. Dadurch ist ein sehr gut gedämpftes und geräuscharmes Laufverhalten des Getriebes gewährleistet. Sobald in gewissen Situationen, wie etwa bei Endanschlag der Lenkung, eine höhere Belastung auftritt, greifen die äußeren Zahnsegmente, die aus dem härteren Material MA gebildet sind, ein. Damit erhält das Zahnrad und somit auch das damit ausgestattete Getriebe eine sich automatisch einstellende Notlaufeigenschaft. Der Verzahnungsbereich T kann mit einer einheitlichen Zahnform ausgebildet sein. Es ist nicht notwendig, dass die verschiedenen Materialien Ma und MB unterschiedlich stark ausgeformt sind. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die innere Schicht mit dem weicheren Material MB gegenüber den äußeren Schichten mit dem härteren Material MA hervorsteht, um im Normalfall einen nicht gewünschten Eingriff der äußeren Verzahnung zu verhindern. Da das hier vorgeschlagene Zahnrad bei einem Schneckengetriebe oder auch bei einem Schraubradgetriebe zum Einsatz kommt, steht automatisch immer der innere Bereich der Verzahnung im Eingriff mit der Schnecke bzw. der Schraube. Nur im Hochlastbereich, wenn also eine Notlaufsituationen gefordert ist, wirken die äußeren härteren Schichten in den Eingriff ein.

Das in der 1 dargestellte Zahnrad GW1 ist im Inneren aus Kunststoff und im äußeren Bereich aus Metall gebildet. Es kann auch zweckmäßig sein, das Zahnrad in allen Bereichen aus Kunststoff zu fertigen. In diesem Falle werden die äußeren Schichten durch Fasern, insbesondere durch Glasfasern, Kohlefasem oder auch durch Aramidfasern verstärkt. Wird das Zahnrad, wie in 1 dargestellt, als Ganzes mehrschichtig aufgebaut, so lassen sich bei Einsatz von Kunststoffen relativ einfache Herstellungsverfahren anwenden, insbesondere Verfahren, bei den schichtweise laminierte Lagen aufgetragen werden.

In den weiteren 2a und 2b sowie 3a und 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Zahnrad GW2 dargestelt ist, das im wesentlichen aus einem Basisteil PA (Grundkörper) und aus einem Einlegeteil PB besteht. Das Basisteil PA umfaßt sowohl die Nabe des Zahnrades als auch die äußeren Zahnkränze. In diesem Beispiel ist das Basisteil PA aus Metall, insbesondere Aluminium MA, gefertigt. Das sogenannte Einlegeteil PB besteht aus einem hochbelastbaren aber auch elastischen Kunststoff MB und prägt im wesentlichen den mittleren Teil des Zahnkranzes aus. Durch Zusammenfügen der beiden Teile entsteht schließlich das Zahnrad GW2, so wie in der 2b dargestellt.

Als Herstellungsverfahren für das dargestellte Zahnrad GW2 bietet sich das Einspritzen des zweiten Einlegeteiles PB in das Basisteil PA (Grundkörper) an. Das bedeutet, dass zunächst der Grundkörper bestehend aus Aluminium hergestellt wird und dass anschließend in den mittleren freigehaltenen Bereich der Verzahnung das Kunststoffmaterial MB eingespritzt wird. Anschließend erfolgt die Verzahnung des ganzen Zahnrades, wobei beide Bereiche, sowohl der Innere als auch die äußeren Bereiche, einheitlich ausgeprägt werden können. Dies geschieht beispielsweise durch ein spanabhebendes Verfahren, wie etwa Fräsen oder dgl. Es ist also lediglich ein einheitlicher Arbeitsvorgang erforderlich. Das in der 2b dargestellte, zusammengesetzte Zahnrad GW2 verfügt außerdem über einen Flansch FLNG, mit dem die Nabe an einer nicht dargestellten Welle fixiert wird.

In der 3a ist der nähere Aufbau des Zahnrades GW2 dargestellt. Das Basisteil PA hat im Nabenbereich mehrere Ausnehmungen FA, in die entsprechende Ausprägungen des zweiten Einlegeteiles PB eingreifen. Das bedeutet, daß beide Teile zueinander passend profiliert sind, so daß ein formschlüssiger Verbund hergestellt wird. Anhand der 3b ist die Seitenansicht des Zahnrades GW2 dargestellt, wobei die Ausnehmungen in dem Basisteil PA deutlich zu sehen sind. Diese Ausnehmungen erstrecken sich nicht nur in radialer Richtung r, sonder auch in axialer Richtung a. Das bedeutet, dass die äußeren Zahnkranzbereiche in axialer Richtung Löcher aufweisen, in die das innere weiche Material auch eingespritzt wird, um somit einen noch besseren Halt zwischen beiden Teilen PA und PB zu gewährleisten.

Außerdem können die in den äußeren Zahnkranzbereichen gebildeten Ausnehmungen FA dazu genutzt werden, um Material des härteren und in der Regel schwereren Materials MA einzusparen. Dazu werden die äußeren Bereiche des Zahnrades GW2 ähnlich einem mit Speichen versehenen Rades ausgeführt, so dass eine insgesamt recht leichte und damit hochdynamische Konstruktion des Zahnrades entsteht.

Es hat sich gezeigt, dass das vorgeschlagene Zahnrad GW2 besonders geeignet ist zum Einsatz in Getrieben von Lenksystemen, so etwa in den Lenkgetrieben selbst wie auch im besonderen in Servogetrieben, die hilfskraftunterstützend wirken oder die wohlmöglich für eine Fremdkraftlenkung (steer-by wire) verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die vorgeschlagene Konstruktion besonders geeignet ist zum Aufbau eines Elektrolenksystemes, bei dem ein Schneckengetriebe oder aber auch ein Schraubradgetriebe zum Einsatz kommt.

Über die hier konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus sind jedoch noch weitere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung denkbar und werden von den formulierten Ansprüchen mit umfasst.

Claims

Zahnrad (GW1, GW2) für ein Getriebe in einem Lenksystem, insbesondere in einem Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug, bei dem das Zahnrad (GW1, GW2) im Verzahnungsbereich (T) zwei oder mehr verschiedene Werkstoffmaterialien (MA, MB) aufweist, und bei dem das Zahnrad (GW1, GW2) in einem hydraulisch oder elektromotorisch angetriebenen Schneckenradgetriebe oder Schraubradgetriebe mit der Schnecke bzw. Schraube kämmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsbereich (T') des Zahnrades (GW1, GW2) in axialer Richtung (a) in zwei äußere Verzahnungsbereiche (TA) und mindestens einen inneren Verzahnungsbereich (TB) unterteilt ist und dass in den äußeren Verzahnungsbereichen (TA) ein erstes Werkstoffmaterial (MA) vorgesehen ist, das härter ist als ein zweites Werkstoffmaterial (MB), das in dem inneren Verzahnungsbereich (TB) vorgesehenen ist.
Zahnrad (GW1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstoffmaterial ein Metallwerkstoff (MA) ist und dass das zweite Werkstoffmaterial ein Kunststoff (MB) ist.
Zahnrad (GW1) nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstoffmaterial ein faserverstärkter Kunststoff ist und dass das zweite Werkstoffmaterial ein nicht-faserverstärkter Kunststoff ist.
Zahnrad (GW1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ganze Zahnrad (GW1) in axialer Richtung (a) in zwei äußere Bereiche und mindestens einen inneren Bereich unterteilt ist und dass in den ganzen äußeren Bereichen das erste Werkstoffmaterial (MA) vorgesehen ist, das härter ist als das zweite Werkstoffmaterial (MB), das in dem ganzen inneren Bereich vorgesehenen ist.
Zahnrad (GW2) nach Ansprach 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (GW2) aus einem Basisteil (PA) mit äußeren Zahnsegmenten und einem inneren Einlegeteil (PB) mit inneren Zahnsegmenten zusammengesetzt ist und dass das Basisteil (PA) aus dem ersten Werkstoffmaterial (MA) und das Einlegeteil (PB) aus dem zweiten Werkstoffmaterial (MB) gefertigt ist.
Zahnrad (GW2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (PA) die Nabe des Zahnrades (GW2) umfasst und mindestens einen Flansch (FLNG) aufweist, der für eine Befestigung des Zahnrades (GW2) auf einer Welle vorgesehen ist.
Zahnrad (GW2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (PA) und das Einlegeteil (PB) ineinander greifende Profilierungen (FA, FB) aufweisen.
Getriebe für ein Lenksystem, insbesondere Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug, bei dem das Getriebe ein hydraulisch oder elektromotorisch angetriebenes Schneckenradgetriebe oder Schraubradgetriebe ist, bei dem das Getriebe ein mit der Schnecke bzw. Schraube kämmendes Zahnrad (GW1, GW2) aufweist, und bei dem das Zahnrad (GW1, GW2) im Verzahnungsbereich (n zwei oder mehr verschiedene Werkstoffmaterialien (MA, MB) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsbereich (n Zahnrad (GW1, GW2) in axialer Richtung (a) in zwei äußere Verzahnungsbereiche (TA) und mindestens einen inneren Verzahnungsbereich (TB) unterteilt ist und dass in den äußeren Verzahnungsbereichen (TA) ein erstes Werkstoffmaterial (MA) vorgesehen ist, das härter ist als ein zweites Werkstoffmaterial (MB), das in dem inneren Verzahnungsbereich (TB) vorgesehenen ist.
Lenksystem, insbesondere Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Getriebe, das ein hydraulisch oder elektromotorisch angetriebenes Schneckenradgetriebe oder Schraubradgetriebe ist und das ein mit der Schnecke bzw. Schraube kämmendes Zahnrad (GW1, GW2) aufweist, das im Verzahnungsbereich (T) zwei oder mehr verschiedene Werkstoffmaterialien (MA, MB) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsbereich (T) Zahnrad (GW1, GW2) in axialer Richtung (a) in zwei äußere Verzahnungsbereiche (TA) und mindestens einen inneren Verzahnungsbereich (TB) unterteilt ist und dass in den äußeren Verzahnungsbereichen (TA) ein erstes Werkstoffmaterial (MA) vorgesehen ist, das härter ist als ein zweites Werkstoffmateral (MB), das in dem inneren Verzahnungsbereich (TB) vorgesehenen ist.