WO2021156161A1

WO2021156161A1 - Verfahren zur herstellung eines schneckenrads für eine hilfskraftlenkung eines kraftfahrzeugs, schneckenrad und kraftfahrzeuglenkung

Info

Publication number: WO2021156161A1
Application number: PCT/EP2021/052230
Authority: WO
Inventors: Claus BOCEK
Original assignee: Thyssenkrupp Presta Ag; Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2021-08-12
Also published as: DE102020201461A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schneckenrads (1) für eine Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, welches einen Verbindungskörper (83) mit einem außen umlaufenden Zahnkranz (2) und einer Nabe (4) aufweist, und welches ein aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildetes Schneckenradvolumen aufweist, durch thermoplastische Formgebung in einem zwischen zwei Formhälften (61, 62) eines Formwerkzeugs (6) begrenzten Formhohlraum (7). Um einen geringeren Fertigungsaufwand und verbesserte Eigenschaften des Kunststoffs zu ermöglichen, werden erfindungsgemäß folgende Schritte vorgeschlagen: - Bereitstellen des Formhohlraums (7) in einem Einfüllzustand mit einem Startvolumen größer als das Schneckenradvolumen, - Einfüllen eines Massekuchens (8) aus fließfähiger Kunststoffschmelze mit einer vorgegebenen Viskosität in den Formhohlraum (7), wobei der Massekuchen (8) eine vorgegebene, mit dem Schneckenradvolumen korrespondierende Kunststoffmenge kleiner als das Startvolumen aufweist, - Zusammenpressen der Formhälften auf einen Endzustand zur Verkleinerung des Startvolumens auf ein Endvolumen, welches mit dem vorgegebenen Schneckenradvolumen korrespondiert, wobei der Massekuchen (8) in dem Formhohlraum (7) verpresst wird, - Entnehmen des Schneckenrades (1) nach dem Erstarren des Kunststoffs aus dem Formhohlraum.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Schneckenrads für eine Hilfskraftlenkung eines Kraftfahr zeugs, Schneckenrad und Kraftfahrzeuglenkung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schneckenrads für eine Hilfskraft lenkung eines Kraftfahrzeugs, welches einen Verbindungskörper mit einem außen umlaufen den Zahnkranz und einer Nabe aufweist, und welches ein aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildetes Schneckenradvolumen aufweist, durch thermoplastische Formge bung in einem zwischen zwei Formhälften eines Formwerkzeugs begrenzten Formhohlraum. Ein Schneckenrad und eine motorische Hilfskraftlenkung sind ebenfalls Gegenstand der Er findung.

Bei einer elektrischen Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs wird eine motorisch erzeugte Hilfskraft in den Lenkstrang eingekoppelt, wodurch ein in die Lenkwelle eingebrachtes manu elles Handlenkmoment unterstützt bzw. verstärkt werden kann, oder bei einer Steer-by-Wire- Lenkung ohne mechanisch verbundene Lenkhandhabe die gesamte Lenkkraft für den Lenk einschlag der gelenkten Räder erzeugt werden kann.

Die Einkopplung der Lenkkraft bzw. des Lenkmoments kann über ein Schraubradgetriebe er folgen, welches als Schneckengetriebe ausgebildet sein kann. Dabei greift eine motorisch antreibbare Schnecke in eine korrespondierende Verzahnung des Schneckenrads ein, die als außen umlaufender Zahnkranz ausgebildet ist. Der Zahnkranz ist über einen Verbin dungskörper mit einer Nabe verbunden. Die Nabe kann eine Aufnahmeöffnung umfassen zur drehmomentschlüssigen Verbindung mit einem mit der Lenkwelle zusammenwirkenden Well enteil, oder zum Antrieb eines Spindeltriebs zur Erzeugung einer Lenkkraft.

Im Stand der Technik ist es beispielsweise aus der DE 10 2012 102 780 A1 bekannt, ein Schraubrad zumindest teilweise im Kunststoff-Spritzguss zu fertigen. Darin wird ein Verfah ren vorgeschlagen, bei dem ein Nabenteil im Formhohlraum, der Kavität eines Formwerk zeugs platziert und mittels Kunststoff-Spritzguss im Stangen- oder Punktangussverfahren mit dem Verbindungsteil umspritzt wird. In einem nächsten Schritt wird an das Verbindungsteil, ebenfalls spritzgusstechnisch im Stangen- oder Punktangussverfahren der Zahnkranz ange spritzt. In diesem konventionellen Spritzgussverfahren wird das gesamte Formvolumen, wel- ches dem Schneckenradvolumen entspricht, vollständig mit der eingespritzten Kunststoff schmelze gefüllt. Vorteilhaft ist, dass thermoplastische Kunststoffe mit unterschiedlichen, an die jeweiligen Belastungen angepassten Eigenschaften eingesetzt werden können, beispiels weise mit hoher Festigkeit und Steifigkeit für das Verbindungsteil, und mit optimierter Gleitfä higkeit und Festigkeit für den Zahnkranz. Nachteilig ist jedoch der relativ hohe Fertigungsauf wand durch das mehrstufige Spritzgießen, und zusätzlich durch das Erfordernis, die An güsse nachträglich zu entfernen, beispielsweise durch spanende Bearbeitung. Die im Punkt oder Stangenanguss unvermeidlichen Binde- oder Fließlinien können sich zudem nachteilig auf die Festigkeit auswirken.

Eine Verbesserung der Kunststoff-Spritzgussteile kann durch das Schirmangussverfahren erreicht werden, bei dem die Kavität durch einen koaxial umlaufenden Düsenspalt mit der Kunststoffschmelze befüllt wird, wie in der DE 102012 102 778 A1 vorgeschlagen wird. Dadurch kann die Homogenität und Festigkeit des Verbindungskörpers und des Zahnkran zes erhöht werden. Nachteilig ist jedoch der relativ hohe Aufwand zur Entfernung des Schir mangusses, beispielsweise durch spanende Verfahren wie Drehen oder Fräsen, oder mittels Kraftstoß oder Ultraschall.

Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Schneckenrads aus thermoplastischem Kunststoff anzugeben, welches einen geringeren Fertigungsaufwand und verbesserte Eigen schaften des Kunststoffs ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Schneckenrads für eine Hilfskraftlenkung eines Kraft fahrzeugs, welches einen Verbindungskörper mit einem außen umlaufenden Zahnkranz und einer Nabe aufweist, und welches ein aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildetes Schneckenradvolumen aufweist, durch thermoplastische Formgebung in einem zwischen zwei Formhälften eines Formwerkzeugs begrenzten Formhohlraum, umfasst erfindungsge mäß die Verfahrensschritte:

- Bereitstellen des Formhohlraums in einem Einfüllzustand mit einem Startvolumen größer als das Schneckenradvolumen,

- Einfüllen eines Massekuchens (Schmelzekuchens) aus fließfähiger Kunststoffschmelze mit einer vorgegebenen Viskosität in den Formhohlraum, wobei der Massekuchen ein vorgege benes, mit dem Schneckenradvolumen korrespondierende Kunststoffmenge kleiner als das Startvolumen aufweist,

- Zusammenpressen der Formhälften auf einen Endzustand zur Verkleinerung des Startvolu mens auf ein Endvolumen, welches mit dem vorgegebenen Schneckenradvolumen korres pondiert, wobei der Massekuchen in dem Formhohlraum verpresst wird,

- Entnehmen des Schneckenrades nach dem Erstarren des Kunststoffs aus dem Formhohl raum.

Das im Folgenden durchgehend als Schneckenrad bezeichnete Schraubrad kann im Prinzip auch andere Bauformen umfassen, beispielsweise Zahnräder, wobei anstelle der Schnecke ein weiteres Zahnrad in die Verzahnung eingreift.

Erfindungsgemäß wird anstelle der bekannten Spritzgießverfahren, bei denen das gesamte, mit dem Schneckenradvolumen korrespondierende, fest vorgegebene Formvolumen voll ständig durch Einspritzen mit Kunststoffschmelze gefüllt wird, ein Spritz-Prägeverfahren vor geschlagen. Dabei wird ein Formwerkzeug mit einem volumenveränderbaren Formhohlraum eingesetzt. Dieses hat ein Startvolumen, welches für einen Press- oder Prägevorgang durch relatives Zusammenbewegen der Formhälften auf ein Endvolumen verkleinert werden kann, welches mit engen Toleranzen mit dem Bauteilvolumen des spritzgeprägten Kunststoffteils korrespondiert. Es kann beispielsweise ein Tauchkantenwerkzeug eingesetzt werden, wel ches eine Kavität mit einem kolbenartig bewegbaren Stempel aufweist, bei dem im Einfüll oder Startzustand die Kavität entlang der Tauchkanten bereits nach außen mechanisch ver schlossen ist, und ein Startvolumen begrenzt.

In das Startvolumen des Formhohlraums wird eine definierte Portion der Kunststoffschmelze als Massekuchen eingespritzt, im Folgenden gleichbedeutend auch als Schmelzekuchen be zeichnet, dessen Kunststoffmenge mit dem Schneckenradvolumen korreliert ist. Dabei ist das Schmelze- oder Kunststoffvolumen kleiner als das Startvolumen, so dass der Formhohl raum im Startzustand zunächst nur teilweise mit Kunststoff gefüllt ist.

Das Einspritzen kann bevorzugt durch eine Einspritzdüse in einer der Formhälften erfolgen. Diese kann bevorzugt verschließbar ausgestaltet sein, so dass sie nach dem Einspritzen der definierten Kunststoffmenge des Schmelzekuchens geschlossen wird, und keine weitere Zu fuhr von Kunststoffschmelze erfolgt. Beispielsweise kann eine Nadelverschlussdüse oder dergleichen vorgesehen sein. Anschließend werden die Formhälften aufeinander zu bewegt, wodurch der Formhohlraum vom Startvolumen verkleinert wird, bis der Endzustand mit dem kleineren Endvolumen er reicht ist. Dadurch, dass dieses Endvolumen mit dem Schmelzevolumen des Massekuchens korreliert ist, bevorzugt im Wesentlichen gleich groß ist, wird der Massekuchen in den Form hohlraum eingeprägt. Durch diesen Prägevorgang füllt die nur geringfügig kompressible Kunststoffschmelze das Endvolumen hydraulisch vollständig aus, welches mit dem Kunst stoffkörper des Schneckenrads korrespondiert.

Nach dem Erstarren, welches bevorzugt durch aktive Kühlung des Formwerkzeugs be schleunigt werden kann, kann das Formwerkzeug durch Auseinanderbewegen der Formhälf ten geöffnet und das fertige Schneckenrad entnommen werden.

Ein wesentlicher Unterschied zum Spritzgussverfahren ist, dass das Volumen des Masseku chens, also das auch als Massevolumen bezeichnete Schmelze- oder Kunststoffvolumen, beim Einspritzen kleiner ist als das initiale Volumen des Formhohlraums, welches erst an schließend bis auf das Massevolumen verkleinert wird. Dagegen wird das Formvolumen des Formhohlraums beim Spritzgießen bereits beim Einspritzen der Schmelze vollständig ausge füllt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch den Prägevorgang auch in dünneren Querschnitten eine höhere Homogenität als beim Spritzgießen sowie eine höhere Festigkeit realisiert werden können. Darüber hinaus können durch geringere Schwindung und Verzug, sowie geringere Spannungen engere Toleranzen eingehalten werden. Potentiell nachteilige Bindenähte können praktisch vollständig vermieden werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass Angüsse wegfallen, wodurch keine mechanische Nachbearbeitung wie im Stand der Technik mehr erforderlich ist, und folglich der Fertigungs aufwand reduziert wird.

Darüber hinaus ist es fertigungstechnisch vorteilhaft, dass die für den Prägevorgang erfor derliche Prägekraft kleiner sein kann als die beim Spritzgießen eines vergleichbaren Kunst stoffteils erforderliche Schließkraft des Formwerkzeugs. Dadurch wird eine effizientere Ferti gung auf kleiner dimensionierten Fertigungsanlagen mit geringerem Energieaufwand ermög licht.

Bevorzugt können die Formhälften beim Prägevorgang mit einer definierten, auf Form und Abmessungen des Formhohlraums, den eingesetzten Kunststoff und gegebenenfalls weitere oder alternative Prozessparameter abgestimmten Prägekraft gegeneinander gepresst wer den. Dadurch ist eine Optimierung der Struktur und Materialeigenschaften möglich.

Während des Erstarrens des Kunststoffs, kann die Prägekraft gegebenenfalls zeit- und/oder temperaturgesteuert gesteuert aufrecht gehalten und zusätzlich oder alternativ variabel ein gestellt werden. Dadurch können die Bauteileigenschaften weiter optimiert werden.

Es ist grundsätzlich denkbar und möglich, das Schneckenrad einschließlich Zahnkranz, Ver bindungskörper und/oder Nabe als einstückiges (1K-) Kunststoffteil zu realisieren, aufgrund der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbesserten Eigenschaften.

Alternativ ist es denkbar und möglich, vor dem Spritzprägen Einleger in den Formhohlraum einzubringen, beispielsweise einen vorgefertigten Zahnkranz - der ebenfalls als Kunststoff- Spritzprägeteil bereitgestellt werden kann - und zusätzlich oder alternativ eine Nabe - bei spielsweise aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff. Die spezifischen Vor teile des erfindungsgemäßen Verfahrens können bevorzugt bei der Erzeugung des Verbin dungskörpers und/oder des Zahnkranzes und/oder der Nabe zum Tragen kommen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Massekuchen ein Kernmaterial und ein dieses zumindest teilweise umhüllendes Hüllmaterial umfasst. In dieser Ausführung weist der Massekuchen als Kern- und Hüllmaterial mindestens zwei unterschiedliche thermo plastische Kunststoffe auf, die im Querschnitt geschichtet angeordnet sind zur Ausbildung eines Sandwich-Schmelzekuchens. Das Verfahren kann auch als Sandwich-Spritz-Prägever- fahren bezeichnet werden. Ein derartiger Sandwich-Schmelze- oder Massekuchen weist ei nen innenliegenden Kernbereich aus einem ersten thermoplastischen Kunststoff, dem Kern material, auf der zumindest teilweise von dem Hüllmaterial eingehüllt ist, welches gleichbe deutend als Hautmaterial oder Oberflächenmaterial bezeichnet wird. Das Hüllmaterial bildet eine das Kernmaterial an seiner Oberfläche vollständig oder zumindest in Teilbereichen um- oder einschließende Schicht.

Beim Prägen wird der geschichtete Sandwich-Schmelzekuchen wie oben zum Spritz-Präge- verfahren ausgeführt, hydraulisch in dem Formhohlraum eingepresst. Die im Schmelzeku chen vorgegebene Schichtstruktur bleibt dabei erhalten, so dass das außen liegende Hüll material sich von innen an die Formkontur anlegt und in diese eingeprägt wird. Dadurch er hält auch das Kunststoff-Prägeteil in seiner endgültigen Form eine Schicht- oder Verbund struktur, mit einem innenliegenden Kern aus dem Kernmaterial, der ganz oder zumindest teil weise umgeben ist mit einer Schicht aus dem Hüllmaterial. In dem Sandwich-Schmelzekuchen können zwei thermoplastische Kunststoffe miteinander kombiniert werden, beispielsweise ein Kernmaterial mit hoher Festigkeit und Steifigkeit und ein Hüllmaterial mit optimierten Gleit- und/oder Verschleißeigenschaften. Die unterschiedli chen Materialeigenschaften ermöglichen in vorteilhafter Weise eine funktionale Optimierung des Schneckenrads. Ein Vorteil des Sandwichverfahrens ist, dass die beiden Kunststoffe in dem Schmelzekuchen in schmelzflüssigem Zustand vollflächig miteinander in Kontakt kom men, so dass eine homogene, besonders feste stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.

Beim Prägen bleibt diese Verbindung zwischen Kern und Hülle erhalten, so dass ein hoch belastbares Zweikomponenten-(2K-) Bauteil realisiert werden kann.

Es ist vorteilhaft, dass durch das Sandwichverfahren die Herstellung eines Schneckenrads als 2K-Verbundbauteil in einem Fertigungsschritt in einem Formwerkzeug erfolgen kann. Dadurch wird der Fertigungsaufwand gegenüber dem im Stand der Technik vorgeschlage nen 2K-Spritzguss durch Umspritzen, der mindestens ein weiteres Formwerkzeug erfordert, erheblich reduziert. Beim kombinierten Sandwich-Spritzprägen wirken die spezifischen Vor teile beider Verfahren synergetisch zusammen, so dass ein funktional angepasstes und be lastbares Schneckenrad mit engen Toleranzen und verringertem Fertigungsaufwand zur Ver fügung gestellt werden kann.

Im Gegensatz zu bekannten 2K-Spritzgussverfahren wird erfindungsgemäß ein aus Kern- und Hüllmaterial zweikomponentiger, dabei aber in sich einstückiger Massekuchen durch Einspritzen in dem Formhohlraum ausgebildet, der kleiner ist als das initiale Startvolumen, der im Gegensatz zu bekannten Spritzgussverfahren den Formhohlraum nicht vollständig ausfüllt. Beim anschließenden Prägen unter Verkleinerung des Formvolumens bis auf das Schmelze- bzw. Massevolumen kann im Gegensatz zum reinen 2K-Spritzgießen eine opti mierte Verteilung von Kern- und Hüllmaterial realisiert werden. Bei geringerem Fertigungs aufwand können somit verbesserte Eigenschaften des fertigen 2K-Schneckenrads realisiert werden, wie beispielsweise eine bessere Verbindung der beiden Kunststoffphasen von Hüll- und Kernmaterial, sowie eine besser definierte Verteilung und Dicke des Hüllmaterials.

Darüber können auch für die Eigenschaften des Schneckenrads vorteilhafte Materialpaarun gen der Kunststoffe für das Kern- und Hüllmaterial eingesetzt werden, deren Verarbeitung in reinen Spritzgussverfahren aufwendig oder problematisch ist. Entsprechend kann durch das erfindungsgemäße 2K-Spritzprägeverfahren ein Schneckenrad zur Verfügung gestellt wer den, welches sowohl gegenüber einem einfachen Spritzprägeverfahren als auch relativ zu einem 2K-Spritzgießverfahren optimiert ist. Eine Optimierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Kernmaterial einen ver stärkten Kunststoff aufweist. Ein verstärkter Kunststoff kann beispielsweise einen Zuschlag von Verstärkungsfasern aufweisen, beispielsweise Glasfasern, wie beispielsweise PA 6.6 GF50% (Polyamid 6.6 mit 50% Glasfaser). Dadurch kann der Kern im erstarrten Zu stand eine höhere Festigkeit und/oder Steifigkeit haben als das Hüllmaterial, für das bei spielsweise PA 4.6 (Polyamid 4.6) eigesetzt werden kann. Durch das verstärkte Kernmaterial können beispielsweise die Nabe und/oder der Verbindungskörper und/oder der Zahnkranz eine hoch beanspruchbare Innen- oder Tragstruktur erhalten.

Es ist möglich, dass das Hüllmaterial einen gleitoptimierten Kunststoff aufweist. Das Hüllma terial bildet bevorzugt die Zahnoberflächen des Zahnkranzes aus, wodurch die Getrieberei bung verringert werden kann. Gleichzeitig kann dadurch, dass die Zahnkontur zumindest teil weise von dem Kernmaterial ausgefüllt ist, eine hohe Belastbarkeit der Verzahnung realisiert werden.

Der Sandwich-Schmelzekuchen kann bevorzugt dadurch erzeugt werden, dass das Hüllma terial und das Kernmaterial nacheinander in den Formhohlraum eingebracht werden. Bei spielsweise kann durch eine Einspritzdüse zuerst eine definierte Portion des thermoplasti schen Hüllmaterials als Hüllmaterialvorlage eingespritzt werden. In diese Hüllmaterialvorlage wird im fließfähigen Zustand eine vorgegebene Menge des thermoplastischen Kernmaterials injiziert, was auch durch dieselbe Einspritzdüse erfolgen kann. Dadurch hat der Masseku chen in etwa die Form einer von Hüllmaterial umschlossenen Blase aus Kernmaterial. Gege benenfalls kann nach der Injektion des Kernmaterials nochmals Hüllmaterial eingespritzt werden, um - falls erforderlich - die Umhüllung des Kernmaterials zu vergleichmäßigen.

Zur Erzeugung eines Sandwich-Schmelzekuchens kann es vorteilhaft sein, dass das Hüllma terial beim Einfüllen eine niedrigere Viskosität hat als das Kernmaterial. Dadurch, dass das Hüllmaterial dünnflüssiger ist als das Kernmaterial, legt es sich beim Injizieren wie eine Haut um das Kernmaterial, welches das Hüllmaterial an der Oberfläche des Schmelzekuchens vor sich her verdrängt. Die Umhüllung wächst gewissermaßen mit dem eingespritzten Kernmate rial. Dabei ist es vorteilhaft, dass das Hüllmaterial beim Verpressen an der Oberfläche des Massekuchens vordringt und bis in eine Zahnkontur des Zahnkranzes eingepresst wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Verzahnung an der Oberfläche das Hüllmaterial aufweist, um dessen spezifische Eigenschaften zu nutzen, beispielsweise im Hinblick auf ein optimiertes Gleit- oder Verschleißverhalten. Der auf diese Weise bereitgestellte Sandwich-Schmelzekuchen kann durch Spritzprägen ge formt werden, wie oben beschrieben. Dadurch kann effizient in einem formgebenden Arbeits gang ein 2K-Schneckenrad erzeugt werden.

Dabei kann das Kernmaterial beim Verpressen des Massekuchens zumindest teilweise bis in eine Zahnkontur des Zahnkranzes und/oder eine Umfangskontur der Nabe eingepresst wer den. Dadurch können die Zähne und/oder die Nabe zumindest teilweise mit Kernmaterial ausgefüllt werden, um eine hohe Formsteifigkeit und Festigkeit realisieren zu können.

Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es denkbar und möglich, ein Schneckenrad einschließlich Zahnkranz, Verbindungskörper und Nabe als 1 K-Kunststoff-Spritzprägeteil zur Verfügung zu stellen. Durch Einsatz eines verstärkten Kunststoffes kann beispielsweise eine hinreichend maßgenaue, feste und formstabile Nabe ausgebildet werden, welche den Ein satz einer Nabe aus metallischem Werkstoff entbehrlich macht. Durch das Sandwich-Spritz- prägen kann ein 2K-Schneckenrad bereitgestellt werden, welches die spezifischen Eigen schaften der jeweiligen Kunststoffe zur funktionalen Optimierung des Schneckenrads nutzt, beispielsweise die hohe Festigkeit und Steifigkeit eines verstärkten thermoplastischen Kunst stoffs für die Nabe, den Verbindungskörper und die Grundstruktur der Zähne, und verbes serte Gleiteigenschaften für die Zahnoberflächen.

Es ist ebenfalls möglich, dass vor dem Einfüllen des Massekuchens ein Einleger in den Formhohlraum eingebracht wird, der beim Verpressen mit dem Kunststoff verbunden wird. Ein Einleger kann beispielsweise eine als Metallteil ausgebildete Nabe umfassen, und/oder einen Zahnkranz, der als Kunststoff-Spritzgussteil oder auch -Spritzprägeteil ausgebildet sein kann. Dadurch können die spezifischen Vorteile des Spritzprägens ebenfalls genutzt werden, beispielsweise durch Wegfall eines aufwendigen koaxialen Schirmangusses beim Umspritzen einer Nabe.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Schneckenrad, umfassend einen umlaufenden Zahnkranz und eine Nabe, welches gemäß dem vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ver fahren hergestellt ist. Dieses zeichnet sich aus durch hohe Steifigkeit und Festigkeit bei ge ringen Abmessungen. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Schneckenrad keine mechani schen Bearbeitungs- oder Bruchstellen aufweist, die im Stand der Technik durch das Entfer nen des Angusses unvermeidlich sind. Hinzu kommt bei 2K-Schneckenrädern, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen Kern- und Hüllmaterial gegenüber einer konventionel len Umspritzung optimiert sein kann. Eine vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Schneckenrads sieht vor, dass die Nabe eine unrunde, bevorzugt eine polygonprofilumfassende Aufnahmeöffnung aufweist, welche besonders bevorzugt als trochoidenförmige Aufnahmeöffnung ausgebildet ist. Mit der Aufnahmeöffnung ist eine drehmomentschlüssige Anbringung des Schneckenrads auf einem korrespondierenden Wellenzapfen ermöglicht. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine maßgenaue, nahezu spannungsfreie Nabe aus Kunststoffmaterial bereitgestellt werden, welche die auftretenden Lasten sicher aufnehmen kann. Dabei ist eine trochoiden förmige Aufnahmeöffnung in Kombination mit einem im Querschnitt angepassten, tro- choidenförmigen Wellenzapfen zur Einleitung und Übertragung der im Betrieb auftretenden und in das Schneckenrad eingeleiteten Kräfte besonders vorteilhaft. Weiterhin ist es denkbar und möglich, eine viereckige, fünfeckige oder sechseckige Aufnahmeöffnung auszubilden, um eine Selbstzentrierung des korrespondierenden Wellenzapfens zu ermöglichen. Weitere Ausgestaltungsformen der Aufnahmeöffnungen sind ebenfalls denkbar, wie beispielsweise ein Vielrundprofil (Torx ® oder dergleichen).

Die Erfindung umfasst weiterhin eine motorische Hilfskraftlenkung, umfassend ein Getriebe, welches mindestens ein zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff ausge bildetes Schneckenrad aufweist, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt ist. Ein Schneckenrad stellt in einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs ein sicherheitsre levantes Teil dar, welches hohen Anforderungen an Betriebssicherheit, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit genügen muss. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine dies bezügliche Optimierung erreicht werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnun gen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines gemäß dem erfindungsge mäßen Verfahren hergestellten Schneckenrads,

Figur 2 das Schneckenrad gemäß Figur 1 in Einbaulage,

Figur 3a-3e schematische Phasendarstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

Figuren 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Schneckenrad 1 schematisch in unterschied lichen perspektivischen Ansichten.

Das Schneckenrad 1 umfasst einen außen umlaufenden Zahnkranz 2 mit einer Mehrzahl von Zähnen 21. Der Zahnkranz 2 ist über einen Verbindungskörper 3 mit einer zur Achse A zent ralen Nabe 4 verbunden. Die Nabe 4 weist eine trochoidenförmige Aufnahmeöffnung 41 auf.

Der Verbindungskörper 3 weist eine Mehrzahl von radial speichenförmig angeordneten Ver stärkungsrippen 31.

Figur 2 zeigt das Schneckenrad 1 in Einbaulage auf einem Wellenzapfen 5, der mit einem im Querschnitt trochoidenförmigen Kupplungsabschnitt 51 drehschlüssig in die Aufnahmeöff nung 41 eingreift.

Das dargestellte Schneckenrad 1 ist als einstückiges Kunststoffbauteil ausgebildet, beispiels weise als 1K-Kunststoffbauteil mittels Spritzprägen aus einem - bevorzugt verstärkten - thermoplastischen Kunststoffmaterial, oder als 2K-Kunststoffbauteil mittels Sandwich-Spritz- prägen aus einem thermoplastischen Kernmaterial, welches von einem ebenfalls thermo plastischen Hüllmaterial an seiner Oberfläche vollständig oder zumindest teilweise umschlos sen ist.

In den einzelnen Darstellungen von Figur 3a bis 3e ist ein Formwerkzeug 6 schematisch in einer Schnittansicht in Längsrichtung der Achse A, welche die Schließrichtung angibt.

Das Formwerkzeug 6 umfasst eine düsenseitige Formhälfte 61 und eine auswerferseitige Formhälfte 62, die in Figur 1a in getrennter Entnahmeposition dargestellt sind, in der sie von einander beabstandet sind.

Durch die relative Bewegung in Schließrichtung, die in Figur 3a mit dem Pfeil angedeutet ist, taucht die Formhälfte 61 mit einem Vorsprung 63 kolbenartig in die andere Formhälfte 62 ein, bis der in Figur 3b dargestellte Einfüllzustand erreicht ist. Dieser Werkzeugtyp wird als Tauchkantenwerkzeug bezeichnet. In dem Einfüllzustand begrenzen die Formhälften 61 und 62 zwischen sich einen Formhohl raum 7, auch als Kavität bezeichnet. In diesem Einfüllzustand haben die Formhälften 61 und 62 in Schließrichtung noch einen Spalt P voneinander. Dabei ist der Formhohlraum 7 durch den kolbenartig eintauchenden Vorsprung 63 und die Formhälfte 62 bereits nach außen ab geschlossen, und weist dabei ein Startvolumen auf.

Durch eine Einspritzdüse 64 in der Formhälfte 61 wird durch einen ersten Kanal 65 eine vor gegebene Menge Hüllmaterial 81, dies ist ein erster thermoplastischer Kunststoff wie bei spielsweise PA 4.6 (Polyamid 4.6), als Schmelze eingespritzt. Das Hüllmaterial 81 füllt das Startvolumen des Formhohlraums 7 im Einfüllzustand nur teilweise aus.

Im nächsten Schritt wird, wie in Figur 3c dargestellt, die Zufuhr von Hüllmaterial 81 durch den Kanal 65 gestoppt. Nun wird über einen zweiten Kanal 66 ebenfalls durch die Einspritzdüse 64 ein Kernmaterial 82, nämlich ein zweiter thermoplastischer Kunststoff wie beispielsweise PA 6.6 GF50% (Polyamid 6.6 mit 50% Glasfaser), in schmelzflüssigem Zustand in das Hüll material 81 injiziert. Dadurch wird ein Schmelzekuchen 8 ausgebildet, auch als Masseku chen 8 bezeichnet, der das Startvolumen des Formhohlraums im Einfüllzustand ebenfalls nur teilweise ausfüllt. Das in Kreuzschraffur dargestellte Kernmaterial 82 bildet darin eine Art Blase, die zumindest nahezu vollständig von dem Hüllmaterial 81 umschlossen ist Der Schmelzekuchen 8 ist ein sogenannter Sandwich-Schmelzekuchen, bei dem das Kernmate rial 82 und das Hüllmaterial 81 in einer Schichtstruktur angeordnet sind.

Nachdem eine definierte Menge von Kernmaterial 82 injiziert wurde, wird die Zufuhr unter brochen, und im nächsten Schritt erfolgt gemäß Figur 3d das Prägen. Dabei werden die bei den Formhälften 61 und 62 weiter in Schließrichtung gegeneinander bewegt und zusammen gepresst, wobei der Spalt P geschlossen wird und das Startvolumen verkleinert wird auf ein Endvolumen. Das Endvolumen korrespondiert mit dem Volumen des Schmelzekuchens 8, so dass die zusammen eingespritzten Kunststoffmaterialien 81 und 82 den Formhohlraum 7 nunmehr vollständig ausfüllen.

Der Formhohlraum 7 kann bevorzugt Bereiche haben, in denen der Zahnkranz 2, den Ver bindungskörper 3 und die Nabe 4 geformt werden. Vorzugsweise kann das Verhältnis der in den Massekuchen 8 eingefüllten Mengen der Kunststoffe 81 und 82 so bemessen ist, dass das Hüllmaterial 81 das Kernmaterial 82 als dünne Außenhaut umgibt. Bevorzugt ist zumin dest das Innere der Zähne 21 und die Nabe 4 zumindest teilweise aus dem Kernmaterial 82 ausgebildet, wodurch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit erreicht wird. Nach dem Abkühlen ist der Schmelzekuchen 8 zum fertigen Schneckenrad 1 erstarrt, wel ches nach dem Trennen der Formhälften 61 und 62 durch Auseinanderbewegen entgegen der Schließrichtung aus dem Formwerkzeug 6 entnommen werden kann, wie in Figur 3e dar gestellt ist.

Bezugszeichenliste

1 Schneckenrad

2 Zahnkranz

21 Zahn 3 Verbindungskörper

31 Verstärkungsrippen

4 Nabe

41 Aufnahmeöffnung

5 Wellenzapfen 51 Kupplungsabschnitt

6 Formwerkzeug 61, 62 Formhälfte

63 Vorsprung

64 Einspritzdüse 65, 66 Kanal

7 Formhohlraum

8 Schmelzekuchen (Massekuchen)

81 Hüllmaterial

82 Kernmaterial A Achse P Spalt

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Schneckenrads (1) für eine Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, welches einen Verbindungskörper (83) mit einem außen umlaufen den Zahnkranz (2) und einer Nabe (4) aufweist, und welches ein aus einem thermo plastischen Kunststoff ausgebildetes Schneckenradvolumen aufweist, durch thermo plastische Formgebung in einem zwischen zwei Formhälften (61, 62) eines Form werkzeugs (6) begrenzten Formhohlraum (7), gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bereitstellen des Formhohlraums (7) in einem Einfüllzustand mit einem Startvolu men größer als das Schneckenradvolumen,

- Einfüllen eines Massekuchens (8) aus fließfähiger Kunststoffschmelze mit einer vor gegebenen Viskosität in den Formhohlraum (7), wobei der Massekuchen (8) eine vor gegebene, mit dem Schneckenradvolumen korrespondierende Kunststoffmenge klei ner als das Startvolumen aufweist,

- Zusammenpressen der Formhälften auf einen Endzustand zur Verkleinerung des Startvolumens auf ein Endvolumen, welches mit dem vorgegebenen Schneckenrad volumen korrespondiert, wobei der Massekuchen (8) in dem Formhohlraum (7) ver- presst wird,

- Entnehmen des Schneckenrades (1) nach dem Erstarren des Kunststoffs aus dem Formhohlraum.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekuchen (8) ein Kernmaterial (82) und ein dieses zumindest teilweise umhüllendes Hüllmaterial (81) umfasst,

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllmaterial (81) und das Kernmaterial (82) nacheinander in den Formhohlraum (7) eingebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial (82) einen verstärkten Kunststoff aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllmaterial (81) einen gleitoptimierten Kunststoff aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllmaterial (81) beim Einfüllen eine niedrigere Viskosität hat als das Kernmaterial (82).

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einfüllen des Massekuchens (8) ein Einleger in den Formhohlraum (7) eingebracht wird, der beim Verpressen mit dem Kunststoff verbunden wird.

8. Schneckenrad (1), umfassend einen umlaufenden Zahnkranz (2) und eine Nabe (4), dadurch gekennzeichnet, dass es gemäß dem Verfahren nach einem der vorange henden Ansprüche hergestellt ist.

9. Schneckenrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (4) eine unrunde, Aufnahmeöffnung (41) aufweist.

10. Motorische Hilfskraftlenkung, umfassend ein Getriebe, welches mindestens ein zu mindest teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildetes Schnecken rad (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad ausgebildet ist gemäß Anspruch 8.