Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads und ein solches Zahnrad, das insbesondere in einer Servolenkung eingesetzt wird.

Stand der Technik

Ein Zahnrad ist ein Rad, das über seinen Umfang gleichmäßig verteilte Zähne trägt. Solche Zahnräder werden bspw. in Servolenkungen, die bspw. als elektrische Lenkvorrichtungen ausgebildet sind, eingesetzt.

Servolenkungen unterstützen den Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer beim Lenken aufgebrachte Kraft verstärkt wird. Somit reduzieren solche Servolenkungen die Kraft, die vom Fahrer, z. B. beim Rangieren oder bei geringen Geschwindigkeiten, aufgebracht werden muss. Wird ein Elektromotor zum Aufbringen eines Unterstützungsmoments verwendet, spricht man auch von einer elektrischen Lenkvorrichtung.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 102 777 AI ist eine elektrische Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt. Diese weist ein Schraubradgetriebe mit einem Schraubrad auf, das ein Innenteil, ein Verbindungsteil und ein Außenteil aufweist. Das Außenteil trägt Zähne, das Verbindungsteil weist spiralförmige Rippen auf. Diese Rippen können von einem Ursprung aus in beide Richtungen verlaufen. Die elektrische Lenkvorrichtung ist bedingt durch den Einsatz des vorgestellten Schraubrads hinsichtlich der Kosten und des Gewichts vorteilhaft. Die Verwendung von Kunststoff für das Außenteil bewirkt eine verbesserte Dämpfung. Zahnräder, die in Servolenkungen eingesetzt werden, bestehen bspw. aus Polyamid-Ringen, die mit einer Metallnabe verklebt werden. Bei diesen wird anschließend die Verzahnung durch Fräsen in den Gusspolyamid-Ring gebracht. Weiterhin sind Zahnräder für Servolenkungen bekannt, die aus mehreren Teilen bestehen. Diese mehrteiligen Zahnräder werden durch Verbindungselemente form- und kraftschlüssig verbunden, um das Drehmoment vom Zahnkranz auf die Welle übertragen zu können. Es gibt auch Zahnräder, die ein Außenteil mit einer Verzahnung besitzen und ein Einlegeteil als Nabe haben, welche durch ein Ver- bindungsteil miteinander verbunden werden.

Die Druckschrift DE 10 2014 104 284 AI beschreibt ein Zahnrad mit einem Innenteil, einem Außenteil und einem Verbindungsteil. Das Außenteil trägt am Umfang Zähne des Zahnrads. Das Verbindungsteil verbindet das Innenteil mit dem Außenteil. Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Verbindungsteil im Bereich mindestens einer Stirnfläche die Zähne des Außenteils zumindest abschnittsweise umschließt. Das Außenteil kann aus einem unverstärkten Kunststoff bestehen. Das Innenteil wiederum kann aus einem Stahl Werkstoff bestehen. Die Druckschrift beschreibt weiterhin eine elektromechanische Lenkvorrichtung mit einem solchen Zahnrad.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Zahnrad gemäß Anspruch 1 und ein Verfah- ren nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung. Es werden weiterhin eine Servolenkung mit einem solchen Zahnrad sowie die Verwendung eines solchen Zahnrads in einer Servolenkung vorgestellt. Das beschriebene Zahnrad zeichnet sich dadurch aus, dass dessen Außenteil, das den Zahnkranz umfasst oder als solcher ausgebildet ist, mittels Extrusion hergestellt wird. Das Außenteil ist dabei aus einem Kunststoff, bspw. einem thermoplastischen Kunststoff, wie z. B. Polyamid, hergestellt. Im Gegensatz zu bekannten Außenteilen, die mittels Spritzguss hergestellt werden, können dabei Materialien mit höherer Viskosität verwendet werden. So sind in Ausgestaltung Materialien mit einer Viskositätszahl höher als 300 einsetzbar. Darüber hinaus ist zu beachten, dass das Extrudieren keine wesentliche Verringerung der Viskositätszahl, im Gegensatz zum Spritzgussverfahren, mit sich bringt.

Gemäß einer Ausführung kann das vorgestellte Zahnrad durch folgende Verfahrensschritte hergestellt werden. Es wird in einem ersten Schritt ein Außenteil mit Zähnen am äußeren Umfang und somit ein Zahnkranz mittels eines Kunststoff- Extrusionsverfahren hergestellt. Bei der Extrusion werden feste bis dickflüssige härtbare Massen unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung, die auch als Düse, Matrize oder Mundstück bezeichnet wird, herausgepresst. Auf diese Weise werden Körper gebildet, deren Querschnitt der Form der Öffnung entspricht und die auch als Extrudat bezeichnet werden. Diese Körper können theoretisch eine beliebige Länge haben.

Es können unterschiedliche Arten von Extrudern, wie bspw. Kolbenextruder oder Schneckenextruder, eingesetzt werden. Bei einem Schneckenextruder wird der Druck zum Herauspressen des Materials mittels einer Schneckenwelle erzeugt. Diese ist in einem Schneckenzylinder geführt. Am vorderen Ende des Schneckenzylinders befindet sich die formgebende Öffnung.

Die Schnecke kann in drei Zonen aufgeteilt sein, nämlich im hinteren Bereich die sogenannte Einzugszone, daran anschließend die Kompressionszone und abschließend die Austragszone bzw. Meteringzone.

Bei der Extrusion werden somit feste bis dickflüssige härtbare Massen unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung gepresst. Auf diese Weise entstehen Körper mit dem Querschnitt der Öffnung.

Das Material, bspw. ein rieselfähiges Granulat, wird typischerweise durch einen Maschinentrichter eingefüllt und anschließend erwärmt, so dass das Material aufschmilzt und eine formbare Masse ergibt. Diese wird dann durch die Öffnung gepresst. Der Maschinentrichter kann durch entsprechende stromaufwärts liegende Anlagenkomponenten mit dem Material gefüttert werden. Zum Erwärmen des Materials kann der Extruder mit elektrischen Heizbändern versehen sein, die in mehreren Segmenten eine unterschiedliche Temperaturführung des Extruders bzw. des Zylinders, in dem das Material aufgenommen wird, ermöglichen. In einer besonderen Ausführung ist auch eine Temperaturregelung vorgesehen.

Aus der Kunststoff-Extrusionmaschine kommt somit vorerst ein Kunststoff- Zylinder mit einem definierten Profil, wobei die Zähne des Zahnkranzes des Zahnrads schon fertig ausgebildet sind und daraus folgend die Verzahnung des fertigen Zahnkranzes nicht nachbearbeitet werden muss. Dies ist vorteilhaft, da die Zähne bei einer Nachbearbeitung ggf. beschädigt werden könnten. Weiterhin ist vorteilhaft, dass sich beim Extrudieren die Viskositätszahl des verwendeten Materials, im Gegensatz zum Spritzgussverfahren, nicht wesentlich reduziert.

Von Bedeutung ist, dass das Extrudat nach dem Herauspressen innen und außen, bspw. mit einer Innenform und einer Außenform, gestützt wird, bis dieses ausreichend abgekühlt ist, so dass dieses sich nicht verformt. Nach dem Herauspressen kann das Extrudat in einem Kalibrierbereich kontinuierlich oder auch schrittweise temperiert bzw. abgekühlt werden. Auch in diesem Bereich kann eine Temperaturregelung vorgesehen sein. Auf diese Weise wird vermieden, dass das Extrudat sich verformt. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da dass Extrudat, das die Grundlage bzw. das Ausgangsmaterial für das Außenteil bzw. den Zahnkranz bildet, nicht mehr bearbeitet werden muss.

Der Zylinder bzw. das Extrudat wird anschließend auf das benötigte Maß gekürzt, entsprechend der vorgesehenen Breite des Zahnrads. Dafür können verschiedene Bearbeitungsverfahren verwendet werden, wie bspw. Drehen, Fräsen, Wasserstrahlschneiden, Laserstrahlschneiden usw. Als Material für das Außenteil ist ein extrusionsfähiger Kunststoff, z. B. ein hochviskoser Kunststoff, wie bspw. Polyamid, vorgesehen. Das verwendete Fertigungsverfahren ermöglicht zudem die Verwendung eines sehr duktilen Kunststoffs für die Verzahnung eines Zahnrads.

Das Außenteil kann anschließend im Schirm-Angussverfahren oder im Stangenbzw. Punkt-Angussverfahren durch ein Verbindungsteil mit dem Innenteil, welches eine Nabe oder eine Welle sein kann, radial umschlossen. Das Zahnrad wird bei dieser Ausführung somit aus mindestens drei Teilen, nämlich Außenteil, Verbindungsteil und Innenteil, gefertigt. Es ist aber auch ein anderer Aufbau eines Zahnrads mit Außenteil denkbar.

Das Innenteil kann aus einem metallischen Werkstoff hergestellt werden, der ei- nen Formschluss zum Verbindungsteil bildet, der das Drehmoment und auch die axiale Kraft übertragen kann. Das Verbindungsteil wird aus einem unverstärkten oder verstärkten Kunststoff mit einer großen Festigkeit und kleiner Wärmedehnung hergestellt. Durch das Schwinden des Verbindungsteils beim Abkühlen entsteht zusätzlich ein Kraftschluss zum Innenteil. Das Außenteil besteht ebenfalls aus einem Kunststoff, der unverstärkt oder verstärkt sein kann. Das Außenteil ist mit dem Verbindungsteil über einen Form- und Kraftschluss fixiert. Die Werkstoffe des Zahnrads sind vorzugsweise so gewählt, dass die Festigkeit von außen nach innen immer größer wird. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt ein Extrudat.

Figur 2 zeigt eine Ausführung eines Zahnkranzes mit Extrusionsprofil.

Figur 3 zeigt eine Ausführung eines Zahnrads in Explosionsdarstellung.

Figur 4 zeigt eine Ausführung eines Zahnrads.

Figur 5 zeigt das Zahnrad aus Figur 4 in einer ersten Schnittdarstellung.

Figur 6 zeigt das Zahnrad aus Figur 4 in einer zweiten Schnittdarstellung. Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Ausführung eines Extrudats, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieses Extrudat 10 stellt einen zylinderförmigen Körper dar, wie dieser aus einem Extruder herausgepresst wird. Die Breite 12 des Extrudats 10 kann dabei fast beliebig gewählt werden. Der Querschnitt des Extrudats 10 wird durch die Form der Austrittsöffnung des Extruders definiert.

Die Darstellung zeigt, dass das Extrudat 10 eine Art Zick-Zack-Profil aufweist und somit an seinem Umfang radial nach außen ragende Zähne 16 trägt. Dieses Extrudat 10 stellt das Ausgangsmaterial für ein herzustellendes Außenteil eines Zahnrads dar. Hierzu muss dieses lediglich noch gekürzt werden, so dass dessen Breite der Breite des herzustellenden Zahnrads entspricht. Zu beachten ist, dass aus dem Extrudat 10 auch mehrere Außenteile gefertigt werden können.

Figur 2 zeigt ein Außenteil 20, das aus dem Extrudat 10 aus Figur 1 durch Kürzen hergestellt wurde. Dieses Außenteil 20 stellt einen Zahnkranz dar, der an seinem Umfang die nach außen ragenden Zähne 16 trägt. Aufgrund des Zick- Zack-Profils sind zwischen zwei benachbarten Zähnen 16 auch jeweils eine Vertiefung 22, die nach innen offen ist, vorgesehen. Diese Vertiefung 22 nimmt in einer Ausführung das Material des Verbindungsteils auf und dient somit zu Übertragung des Drehmoments im Einsatz des Zahnrads.

Es kann auch in einem weiteren Verfahrensschritt an das Außenteil 20 ein nach innen ragender umlaufender Steg angebracht werden, der axial ausgerichtete Erhöhungen aufweist, die im hergestellten Zustand vom Material des Verbindungsteils umgeben sind und somit ebenfalls zur Übertragung des Drehmoments dienen. Dieser Steg kann auch nach innen radial ragende Erhöhungen oder Vertiefungen aufweisen. Diese dienen ebenfalls der Übertragung des Drehmoments. In jedem Fall ist es zweckmäßig den Übergang von Außenteil 20 zu Verbin- dungsteil so zu gestalten, dass eine gute Übertragung des Drehmoments gewährleistet ist.

Figur 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung eine Ausführung eines Zahnrads, das insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt das Außenteil 20 mit den radial nach außen ragenden Zähnen 16 und den nach innen radial gerichteten Vertiefungen 22. Die Zähne 16 sind dabei gleichmäßig über den Umfang des Außenteils 20 angeordnet. Dieses Außenteil 20, das einen Zahnkranz ausbildet, wurde mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt.

Die Darstellung zeigt weiterhin ein Verbindungsteil 32 und ein Innenteil 34, das typischerweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt wird. Das Innenteil 34 bildet einen Formschluss zum Verbindungsteil 32, so dass das Drehmoment und auch die axiale Kraft übertragen wird. Das Verbindungsteil 32 wird typischerweise aus einem unverstärkten oder verstärkten Kunststoff gefertigt. Bei der Fertigung wird das Verbindungsteil 32 zwischen das Innenteil 34 und das Außenteil 20 gespritzt, so dass diese sicher miteinander verbunden werden. Die Vertiefungen 22 im Außenteil 20 werden dabei mit Material des Verbindungsteils 32 ausgefüllt, so dass auch zwischen diesen beiden Komponenten eine gute Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft sichergestellt ist.

Das Zahnrad 30 mit dem gemäß dem vorgestellten Verfahren gefertigten Außenteil 20 weist hier einen dreiteiligen Aufbau auf. Es sind aber auch andere Konstruktionen, bspw. ein zweiteiliger Aufbau, denkbar.

Figur 4 zeigt das Zahnrad 30 aus Figur 3 mit dem Außenteil 20, dem Verbindungsteil 32 und dem Innenteil 34, das auch als Einlageteil bezeichnet wird, im montierten Zustand. Dieses Zahnrad 30 wird bspw. in einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.

Figur 5 zeigt eine erste Schnittdarstellung des Zahnrads 30 aus Figur 4. Auch hier sind deutlich das Außenteil 20, das Verbindungsteil 32 und das Innenteil 34 zu erkennen. Figur 6 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des Zahnrads 30 mit dem Außenteil 20, dem Verbindungsteil 32 und dem Innenteil 34.