Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer längenveränderbaren Lenkwelle, umfassend eine Hohlwelle mit einer Innenverzahnung, in der in axialer Richtung teleskopier- bar eine formschlüssig eingreifende Zahnwelle angeordnet ist, die einen Verzahnungsbereich mit auf dem Außenumfang angeordneten, sich in axialer Richtung erstreckenden Zähnen aufweist, wobei im Verzahnungsbereich ein Wellenkern im Spritzgussverfahren mit einer Gleitbeschichtung aus thermoplastischem Kunststoff umspritzt wird, mit den Schritten - Positionieren des Wellenkerns innerhalb eines Formhohlraums eines Spritzgießwerkzeugs koaxial zu einer den Verzahnungsbereich begrenzenden Formfläche,

- Einspritzen von schmelzflüssigem Kunststoff in den Formhohlraum zwischen dem Wellenkern und der Formfläche des Formhohlraums durch mindestens eine Einspritzdüse,

- Entnehmen der Zahnwelle aus dem Spritzgießwerkzeug nach dem Erstarren des

Kunststoffs

- Bereitstellen der Hohlwelle und axiales Einführen des Verzahnungsbereichs in die Innenverzahnung. Aus der DE 10 2014 105 822 A1 ist eine teleskopierbare Lenkwelle bekannt, die in der Lenkung eines Kraftfahrzeugs zur Übertragung des Lenkmoments vom Lenkrad zum Lenkgetriebe dient. Um eine Verstellung des Lenkrads relativ zur Fahrerposition in Längsrichtung, d.h. in Richtung der Längsachse zu ermöglichen, ist zumindest ein Wellenabschnitt zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe telekopierbar und damit längenverstellbar ausgestaltet. Der längenverstellbare Wellenabschnitt kann die fahrerseitige Lenkspindel bilden oder die Lenkzwischenwelle zwischen der Lenkspindel und dem Lenkgetriebe.

Die Lenkwelle ist teleskopartig aufgebaut, mit einem als Hohlwelle ausgebildeten ersten Wellenteil mit einer Innenverzahnung, die sich in axialer Richtung erstreckende Zähne aufweist, und einem gegenüber diesem teleskopierbaren, als Zahnwelle ausgebildeten zweiten Wellenteil mit einer Außenverzahnung, welche zur Drehmomentübertragung formschlüssig in die besagte Innenverzahnung eingreift und eine teleskopartige, axiale Verstellung der beiden Wellenteile relativ zueinander ermöglicht.

Um das Verdrehspiel zu minimieren und das Gleitverhalten beim Teleskopieren zu verbes- sern, weist der Verzahnungsbereich der Zahnwelle in dem Kontaktbereich mit der Hohlwelle zumindest teilweise eine Gleitbeschichtung aus Kunststoff auf. Diese Gleitbeschichtung ist auf eine aus Metall, in der Regel aus Stahl bestehenden Wellenkern aufgebracht. Durch den relativ zu Stahl weicheren und elastischeren Kunststoff wird das Verdrehspiel reduziert und die Reibung vermindert. Dadurch wird ein spielfreies, präzises Lenken ermöglicht und ein verbessertes Gleitverhalten realisiert, so dass eine geschmeidige und gleichmäßige Längspositionierung des Lenkrads ohne ruckartige Störungen aufgrund von Stick-Slip-Effekten erfolgen kann. Außerdem werden in vorteilhafter Weise die Übertragung von Vibrationen und die Entstehung von Geräuschen unterdrückt. Damit in der Serienfertigung bei hohen Stückzahlen eine gleichbleibende, optimale Funktion einer derartigen Lenkwelle gewährleistet ist, muss die Gleitbeschichtung über die gesamte Produktion mit möglichst geringen Maßabweichungen zwischen den einzelnen Werkstücken auf den Wellenkern aufgebracht werden. Dies setzt bei einer gattungsgemäßen Umspritzung mit Kunststoff eine entsprechend genaue Positionierung des Wellenkerns im Spritzgießwerk- zeug voraus. Die Positionierung muss dabei über die gesamte Länge des Verzahnungsbereichs möglichst exakt koaxial erfolgen, wobei die Längsachse des in der Grundform zylindrischen Wellenkerns über die axiale Länge des Verzahnungsbereichs mit der innenzylindrischen Grundform des Formhohlraums der Spritzgussform übereinstimmt, d.h. innerhalb der die Verzahnung begrenzenden Formflächen des Formhohlraums zentriert ist.

Die Zähne der Zahnwelle können gebildet werden durch auf der Kernwelle ausgebildete Kernzähne, die im Verzahnungsbereich mit der Gleitbeschichtung beschichtet werden. Dabei wird angestrebt, dass die Gleitbeschichtung insbesondere im Bereich der Zahnflanken für sämtliche Werkstücke einer Serie eine möglichst identische Schichtdicke aufweist. Dafür ist es erforderlich, dass die Wellenkerne bezüglich einer Drehung um die Längsachse mit einer möglichst geringen Winkelabweichung im dem Spritzgießwerkzeug orientiert werden.

Im Stand der Technik wird vorgeschlagen, den Wellenkern mit Passflächen zu versehen, die außerhalb des Verzahnungsbereichs angeordnet sind und die zur Positionierung mit entspre- chenden Gegenflächen des Spritzgießwerkzeugs in Kontakt gebracht werden. Nachteilig ist dabei, dass die Ausbildung der Passflächen mit der erforderlichen Genauigkeit einen relativ hohen Fertigungsaufwand bei der Bereitstellung des Wellenkerns erfordert. Derartige Anordnungen werden beispielsweise in der JP 2013141957A beschrieben.

Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches einen geringeren Fertigungsaufwand zur Herstellung einer teleskopierbaren Lenkwelle erfordert. Insbesondere soll sichergestellt sein, dass für die Werkstücke der Serienfertigung im Verzahnungsbereich eine gleichmäßige Gleitbeschichtung zur Verfügung gestellt wird. Darstellung der Erfindung

Zur Lösung der vorgenannten Problematik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zum Positionieren des Wellenkerns zumindest teilweise im Bereich der Formfläche der Verzahnung Positionier-elemente angeordnet werden, die mit Positionierflächen im Bereich der Verzahnung radial von außen an dem Wellenkern anliegen und diesen koaxial in dem Formhohlraum halten.

Zwischen den auf der Außenseite des Wellenkerns anliegenden Positionierflächen der Positionierelemente kann der Wellenkern in dem Formhohlraum auf der Längsachse zentriert und koaxial positionsgenau eingespannt werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind Positionierelemente im Gegensatz zum Stand der Technik innerhalb der axialen Erstreckung der Verzahnung angeordnet, also in dem Funktionsbereich der Verzahnung, der in dem Spritzgießwerkzeug mit Kunststoff umspritzt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden in vorteilhafter Weise Flächen der Verzahnung im Verzahnungsbereich, die zur Gewährleistung einer optimalen Teleskopierbarkeit ohnehin präzise und maßgenau bearbeitet sein müssen, zugleich zur Positionierung des Wellenkerns im Spritzgießwerkzeug genutzt, nämlich zur koaxialen, zentrierten Einspannung im Formhohlraum. Damit entfällt das Erfordernis aus dem Stand der Technik, den Wellenkern mit zusätzlichen Passflächen zu versehen, wodurch der Fertigungsaufwand gesenkt wird.

Erfindungsgemäß erfolgt im Gegensatz zum Stand der Technik die Abstützung und Positionierung des Wellenkerns im Funktionsbereich der Zahnwelle, nämlich innerhalb der axialen Erstreckung des Verzahnungsbereichs, der in der zusammengebauten Lenkwelle in der In- nenverzahnung der Hohlwelle entlanggleiten kann. Dadurch kann die genaue koaxiale, zentrierte Ausrichtung des als Kernwelle ausgebildeten Wellenkerns in dem Formhohlraum des Spritzgießwerkzeugs ohne zusätzliche bearbeitete Passflächen sichergestellt werden, was in einer über den Umfang gleichmäßig dicke Kunststoff-Gleitbeschichtung der Zähne mit hoher Genauigkeit in radialer Richtung resultiert. Schädliche Toleranzen, die im Stand der Technik beim Positionieren zwischen räumlich von der Verzahnung separat ausgebildeten Passflächen auftreten können und die zu einer deachsierten Anordnung des als Kernwelle ausgebil- deten Wellenkerns in dem Formhohlraum führen und die Gleichmäßigkeit der Gleitbeschich- tung beeinträchtigen können, können erfindungsgemäß prinzipiell nicht auftreten. Die Toleranzkette ist gegenüber dem Stand der Technik besonders kurz, da die Positionierung direkt über den zu umspritzenden Funktionsbereich erfolgt. Dadurch wird eine höhere Maßhaltigkeit und Qualität der Gleitbeschichtung erreicht.

Die Zahnwelle kann als Vollwelle oder als Hohlwelle ausgebildet sein. Bevorzugt kann der Wellenkern aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl oder einer Aluminiumlegierung, beschaffen sein. Der Erfindung liegt die unerwartete Erkenntnis zugrunde, dass durch die Positionierflächen, die bei der erfindungsgemäßen Einspannung des Wellenkerns durch die Positionierelemente innerhalb des Verzahnungsbereichs anliegen, keine Nachteile gegenüber dem Stand der Technik auftreten, der eine Einspannung zwischen Passflächen außerhalb des Verzahnungsbereichs vorsieht. Die im Stand der Technik herrschende Meinung, dass keine Ein- Spannung innerhalb der funktionalen Flächen der Verzahnung erfolgen dürfe, wird erfindungsgemäß überwunden. Es überwiegen die oben genannten Vorteile.

In seiner Grundform kann der Wellenkern bevorzugt zylindrisch ausgebildet sein, also als zylindrische Welle. Bevorzugt ist dabei, dass der Wellenkern von dem zylindrischen Bereich radial nach außen abstehende Kernzähne aufweist, die bevorzugt im Bereich der Zähne des Verzahnungsbereichs angeordnet sind. Die Kernzähne liegen dabei im Wesentlichen innerhalb des Querschnitts der Zähne des Verzahnungsbereichs und bilden somit Zahn-Grundkörper, die zur Ausbildung der Zähne zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt bzw. beschichtet werden. Daraus resultiert eine hohe Formstabilität und Belastbarkeit der Verzah- nung. Außerdem wird dadurch eine höhere Betriebssicherheit erreicht, dass die Kernzähne die Hohlwelle formschlüssig mitnehmen können, auch wenn der Kunststoff verschlissen oder entfernt ist. Alternativ können die Zähne auch vollständig aus Kunststoff bestehen, indem sie in einem zylindrischen Bereich ohne Kernzähne an den Wellenkern angespritzt werden. Dadurch kann eine höhere Elastizität und ein optimiertes Gleitverhalten erreicht werden, insbe- sondere auch, wenn innerhalb einer Verzahnung Zähne mit und ohne Kernzähne kombiniert werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mindestens eines der Positionierelemente Positionierflächen aufweist, die in Umfangsrichtung formschlüssig zwischen die Flanken von in Umfangsrichtung benachbarten Kernzähnen eingreifen. Entsprechend liegen dabei beim Einspannen der Kernwelle im Spritzgießwerkzeug die Positionierflächen spielfrei an den einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Flanken von in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Kernzähnen an. Dabei erfolgt durch die Positionierelemente eine Fixierung des Wellenkerns in einer definierten Winkelorientierung bezüglich einer Rotation um die Längsachse der Zahnwelle, die identisch ist mit der Längsachse der Kernwelle bzw. des Formhohlraums.

Das bzw. die Positionierelemente können dabei dafür sorgen, dass die Flanken eines jeden Kernzahns den gleichen Abstand zur korrespondierenden Formfläche des Spritzgießwerkzeugs haben, wodurch die Gleitbeschichtung über sämtliche Zähne der Werkstücke der Serienfertigung eine maßgenaue, gleichbleibende Wandstärke hat.

Bevorzugt weist die Umspritzung eine gleichbleibende Wandstärke auf. Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Positionierelemente ist es möglich, eine besonders konstante Wandstärke der Umspritzung zu realisieren, abgesehen von den Abdrücken der Positionierelemente, da der Wellenkern auf Grund der erfindungsgemäßen Positionierelemente mit einer sehr hohen Präzision zu der Formfläche ausgerichtet ist.

Die Umspritzung kann ebenfalls unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Beispielsweise zur Ausbildung eines rein aus der Umspritzung ausgebildeten Zahns, d.h. dieser Zahn ist lediglich durch die Umspritzung ausgebildet und weist keinen Kernzahn auf. Mit anderen Worten ist dieser rein aus der Umspritzung ausgebildete Zahn kernzahnlos.

Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass durch unterschiedliche Wandstärken zwei tragende Bereiche ausgebildet sind, wobei diese Bereiche axial, d.h. in Richtung der Längsachse, voneinander beabstandet sind und eine grössere Wandstärke aufweisen als die Umspritzung außerhalb dieser Bereiche. Somit kann eine definierte Drehmomentenübertragung zwischen Hohlwelle und Zahnwelle realisiert werden, da definierte Kontaktbereiche zwischen der Hohlwelle und der Zahnwelle ausgebildet sind. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass durch unterschiedliche Wandstärken Schmiertaschen in der Umspritzung ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäßen Positionierelemente ist die durch die Formfläche geformte Umspritzung sehr präzise zur Kernwelle ausgerichtet. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Positionierelemente haben folglich eine Doppelfunktion, nämlich den als Kernwelle ausgebildeten Wellenkern in dem Spritzgießwerkzeug koaxial zu zentrieren und gleichzeitig für eine exakte Winkelorientierung bezüglich der Längsachse zu sorgen. Damit ist der Wellenkern eindeutig innerhalb des Formhohlraums orientiert und fi- xiert. Dank dieser zusätzlichen Positionierungsfunktion ergibt sich eine zusätzliche Vereinfachung zum Stand der Technik, da die darin erforderlichen, separaten Passflächen zur Winkelorientierung bei der Erfindung ebenfalls durch die maßgenau bearbeiteten Flanken der vorhandenen Kernzähne übernommen werden. Wie für die koaxiale Zentrierung oben beschrieben, wird dabei ebenfalls eine Verbesserung der Maßhaltigkeit erreicht.

Die Positionierelemente können als radial nach innen in den Formhohlraum vorstehende Positionierstifte ausgebildet sein. Die Positionierstifte können beispielsweise einen quadratischen, rechteckigen, vieleckigen oder runden Querschnitt aufweisen, der in axialer Richtung der Zahnwelle gemessen schmaler ist als der Verzahnungsbereich. Die Abmessung in Um- fangsrichtung kann bevorzugt in der Größenordnung dem Abstand zweier benachbarter Zähne entsprechen. Von der die Verzahnung begrenzenden inneren Formfläche stehen die Positionierstifte jeweils mit ihrem freien Ende radial nach innen in den Formhohlraum vor. Mindestens eine Positionierfläche ist im Bereich des freien Endes ausgebildet und kann hinsichtlich ihrer Form und Abmessungen an den Bereich des Wellenkerns angepasst sein, gegen den sie zur Positionierung bei der koaxialen Einspannung des Wellenkerns anliegt.

Eine eindeutige koaxiale Zentrierung kann dadurch realisiert werden, dass mindestens drei, bevorzugt genau drei Positionierelemente über den Umfang verteilt angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass die drei Positionierelemente in Richtung der Längsachse zuein- ander versetzt sind oder in einer Radialebene angeordnet sind. Bevorzugt sind die Positionierelemente gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, d.h. im Winkelabstand von 180°. Dadurch, dass die Positionierelemente mit gleichem Winkelabstand radial nach innen in den Formhohlraum vorstehen, kann ein in der Spritzgussform aufgenommener Wellenkern zwischen den freien Enden wie in einem Spannfutter, beispielsweise einem Dreibackenfutter, in dem Formhohlraum zuverlässig und genau zentriert eingespannt werden.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass mehrere Positionierelemente parallel zu einer Radialebene des Formhohlraums angeordnet sind. Die Radialebene steht senkrecht zur gemeinsamen Längsachse von Wellenkern und Zahnwelle. Dadurch wird der Wellenkern durch die Positionierelemente in dem Bereich zentriert eingespannt, wo die Radialebene die

Längsachse schneidet. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich die Radialebene innerhalb des Verzahnungsbereichs befinden. Eine Weiterbildung der vorgenannten Positionierung sieht vor, dass eine erste Gruppe von Positionierelementen parallel zu einer ersten Radialebene des Formhohlraums angeordnet ist, und mindestens eine zweite Gruppe von Positionierelementen parallel zu einer zweiten Radialebene mit axialem Abstand zur ersten Radialebene. Die erste Radialebene und die zweite Radialebene schneiden die Längsachse wie beschrieben jeweils in einem ersten und einem zweiten Schnittpunkt, auch als Durchstoßpunkt bezeichnet. Entsprechend wird der Wellenkern in der ersten und in der zweiten Radialebene zentriert eingespannt. Folglich wird der Verzahnungsbereich zwischen den Schnittpunkten exakt koaxial in dem Formhohlraum ausgerichtet.

Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Positionierelement mit axialem Abstand zum Verzahnungsbereich angeordnet ist. Neben einem erfindungsgemäß innerhalb des Verzahnungsbereichs befindlichen Positionierelement kann durch ein außerhalb des Verzahnungs- bereichs angeordnetes Positionierelement die Abstützung bzw. Einspannung des Wellenkerns in größerem axialen Abstand erfolgen. Durch die größere Spannlänge kann die genaue koaxiale Ausrichtung vereinfacht werden.

Die Erfindung umfasst eine Spritzgießvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend ein Spritzgießwerkzeug mit einem Formhohlraum, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und einen Verzahnungsbereich mit Formflächen aufweist, die über einen Abschnitt der Längsachse eine koaxiale Verzahnung begrenzen, wobei in dem Formhohlraum Positionierelemente zur koaxialen Positionierung eines Wellenkerns angeordnet sind.

Spritzgießvorrichtungen zur Herstellung von mit Kunststoff umspritzten Zahnwellen nach dem eingangs beschriebenen Stand der Technik sind im Prinzip bekannt. Diese weisen in dem Formhohlraum Positionierelemente auf, die eine koaxiale Einspannung eines Wellenkerns ermöglichen. In einem Teilbereich seiner Längserstreckung weist der Formhohlraum einen Verzahnungsbereich mit Formflächen zur Umspritzung des Wellenkerns mit einer koaxialen Verzahnung auf. Bei den bekannten Spritzgießvorrichtungen sind die Positionierelemente so angeordnet, dass sie mit ihren Positionierflächen den Wellenkern zwischen außerhalb des Verzahnungsbereichs ausgebildeten Passflächen einspannen. Die Ausbildung der Passflächen am Wellenkern erfordert einen zusätzlichen Fertigungsaufwand. Außerdem können zwischen den Passflächen und dem Verzahnungsbereich Toleranzen auftreten, welche die Maßhaltigkeit der Kunststoffbeschichtung beeinträchtigen. Zur Lösung dieser Problematik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mindestens ein Positionierelement innerhalb des Verzahnungsbereichs angeordnet ist. Durch diese Ausbildung der Spritzgießvorrichtung ist es möglich, den Wellenkern positionsgenau innerhalb der Verzahnung in dem Formhohlraum zu positionieren und einzuspannen. Weitere Vorteile und Merkmale sind vorangehend für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, welches an der erfindungsgemäßen Spritzgießvorrichtung realisierbar sind, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Eine Weiterbildung der Spritzgießvorrichtung sieht vor, dass mindestens ein Positionierelement an einem radial relativ zum Formhohlraum bewegbaren Schieber angeordnet ist. Zum Positionieren und Einspannen kann der Wellenkern durch radial nach innen gerichtete Bewegung der Schieber zwischen den Positionierelementen zentriert und koaxial eingespannt werden. An einem Positionierelement ist im Bereich seines freien Endes, welches von außen gegen den Wellenkern bewegbar ist, mindestens eine Positionierfläche ausgebildet. Die Positionierfläche wird zum Positionieren und Einspannen erfindungsgemäß im Verzahnungsbereich mit dem Wellenkern in Kontakt gebracht. Daraus ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.

Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Zahnwelle zum Einbau in eine Hohlwelle mit einer Innenverzahnung zur Verfügung gestellt, in der die Zahnwelle in Richtung der Längsachse teleskopierbar aufnehmbar ist und mit dieser formschlüssig koppelbar ist, wobei die Zahnwelle einen Verzahnungsbereich mit auf dem Außenumfang angeordneten, sich in axialer Richtung erstreckenden Zähnen aufweist, wobei im Verzahnungsbereich ein Wellenkern im Spritzgussverfahren mit einer Gleitbeschichtung aus thermoplastischem Kunststoff umspritzt ist. Zur Lösung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Gleitbeschichtung mindestens drei Abdrücke aufweist. Die erfindungsgemäßen Abdrücke sind das Resultat der zuvor beschriebenen Positionierelemente, die den Wellenkern im Spritzgießwerkzeug positionieren. Die Abdrücke, die durch die Positionierelemente in der Gleitbeschichtung ausgebildet sind, können die Möglichkeit bieten, einen fakultativ vorgesehenen Schmierstoff als Vorrat aufzunehmen. Somit kann auf einfache Weise ohne zusätzliche Maßnahmen ein Schmierstoffrückhaltevolumen geschaffen werden, auch als Schmiertasche bezeichnet.

Bevorzugt weist die Gleitbeschichtung genau drei Abdrücke oder genau sechs Abdrücke auf. Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Gleitbeschichtung sechs Abdrücke umfasst, wobei drei Abdrücke in einer ersten Radialebene angeordnet sind und das die anderen drei Abdrücke in einer zweiten Radialebene angeordnet sind, wobei die erste Radialebene einen Abstand in Richtung der Längsachse von der zweiten Radialebene aufweist.

Die erste Radialebene und die zweite Radialebene schneiden die Längsachse wie beschrieben jeweils in einem ersten und einem zweiten Schnittpunkt, auch als Durchstoßpunkt bezeichnet. Durch die Einspannung des Wellenkerns durch die Positionierelemente in der ers- ten und in der zweiten Radialebene wird der Wellenkern, wie bereits ausgeführt, für die Um- spritzung in der Spritzgussform ausgerichtet. Nach der Umspritzung des Wellenkerns bilden sich durch die an dem Wellenkern anliegenden Positionierelemente in der Gleitbeschichtung die erfindungsgemäßen Abdrücke aus. Bevorzugt umfassen die Abdrücke einen Durchbruch durch die Gleitbeschichtung hindurch bis zur Oberfläche des Wellenkerns.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Durchbruch im Bereich einer Zahnflanke eines benachbarten Kernzahns des Wellenkerns ausgebildet.

Vorteilhaft ist es, wenn der Wellenkern aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, besonders bevorzugt ist der Wellenkern aus Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet.

Beschreibung der Zeichnungen

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

Figur 1 eine Kraftfahrzeuglenkung,

Figur 2 eine erfindungsgemäße Lenkwelle in perspektivischer Ansicht, Figur 3 eine erfindungsgemäße Lenkwelle gemäß Figur 2 in axial auseinander gezogener Darstellung, eine Hohlwelle gemäß Figur 3 in einer perspektivischen Ansicht, Figur 4 eine Zahnwelle einer Lenkwelle gemäß Figur 2 mit Positionierelementen vor der Umspritzung mit Kunststoff, eine Zahnwelle einer Lenkwelle gemäß Figur 2 mit Positionierelementen nach der Umspritzung mit Kunststoff, Figur 6 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Spritzgießwerkzeug mit einer darin eingespannten Zahnwelle nach dem Einspritzen des Kunststoffs,

Figur 6a eine Detailansicht eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Spritzgießwerkzeug ähnlich Figur 6 mit einer darin eingespannten Zahnwelle vor dem Einspritzen des Kunststoffs,

Figur 7 eine vergrößerte Querschnittansicht der im Spritzgießwerkzeug eingespannten Zahnwelle gemäß Figur 6, Figur 8 eine Längsschnitt entlang der Längsachse durch ein erfindungsgemäßes

Spritzgießwerkzeug,

Figur 9 eine Längsschnitt entlang der Längsachse wie in Figur 8 durch ein erfindungsgemäßes Spritzgießwerkzeug in einer zweiten Ausführungsform

Figur 10 Zahnwelle einer Lenkwelle mit Positionierelementen nach der Umspritzung mit

Kunststoff in einer alternativen Ausführungsform Figur 1 1 Zahnwelle einer Lenkwelle gemäß Figur 5 ohne Positionierelementen der Umspritzung mit Kunststoff

Figur 12 eine vergrößerte Detailansicht des Querschnitts gemäß Figur 7 mit zurückgezogenem Positionierelement,

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In Figur 1 ist eine Kraftfahrzeuglenkung 100 schematisch dargestellt, wobei ein Fahrer über ein Lenkrad 102 ein entsprechendes Lenk-Drehmoment (Lenkmoment) als Lenkbefehl in eine Lenkwelle 1 einbringen kann. Das Lenkmoment wird über die Lenkwelle 1 auf ein Lenkritzel 104 übertragen, welches mit einer Zahnstange 106 kämmt, die dann ihrerseits über eine Verschiebung der Spurstangen 108 den vorgegebenen Lenkwinkel auf die lenkbaren Räder 1 10 des Kraftfahrzeugs überträgt.

Eine elektrische Hilfskraftunterstützung kann in Form einer eingangsseitig mit der Lenkwelle 1 gekoppelten Hilfskraftunterstützung 1 12, einer mit dem Ritzel 104 gekoppelten Hilfs-kraft- unterstützung 1 14 und/oder einer mit der Zahnstange 106 gekoppelten Hilfskraftunter-stüt- zung 1 16 vorgesehen sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 1 12, 1 14 oder 1 16 koppelt ein Hilfsdrehmoment in die Lenkwelle 1 und/oder das Lenkritzel 104 und/oder eine Hilfskraft in die Zahnstange 106 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen, in der Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 1 12, 1 14 und 1 16 zeigen mögliche Positionen für deren Anordnung.

Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung 1 12, 1 14 oder 1 16 belegt. Das Hilfsdrehmoment bzw. die Hilfskraft, welche zur Unterstützung des Fahrers mittels der jeweiligen Hilfskraftunterstützung 1 12, 1 14 oder 1 16 aufgebracht werden soll, wird unter Berücksichtigung eines von einem Drehmomentsensor 1 18 ermittelten, vom Fahrer eingebrachten Lenkmoments bestimmt. Alternativ oder in Kombination mit der Einbringung des Hilfsdrehmoments kann von der Hilfskraftunterstützung 1 12, 1 14, 1 16 ein zusätzlicher Lenkwinkel in das Lenksystem eingebracht werden, der sich mit dem vom Fahrer über das Lenkrad 102 aufgebrachten Lenkwinkel summiert.

Die Lenkwelle 1 weist eingangsseitig eine mit dem Lenkrad 102 verbundene Eingangswelle 10 und ausgangsseitig eine mit der Zahnstange 106 über das Lenkritzel 104 verbundene Ausgangswelle 12 auf. Die Eingangswelle 10 und die Ausgangswelle 12 sind drehelastisch über einen in der Figur 1 nicht zu erkennenden Drehstab miteinander gekoppelt. Damit führt ein von einem Fahrer über das Lenkrad 102 in die Eingangswelle 10 eingetragenes Drehmoment immer dann zu einer Relativdrehung der Eingangswelle 10 be-züglich der Ausgangs- welle 12, wenn die Ausgangswelle 12 sich nicht exakt synchron zu der Eingangswelle 10 dreht. Diese Relativdrehung zwischen Eingangswelle 10 und Ausgangs-welle 12 kann über einen Drehwinkelsensor gemessen werden und entsprechend aufgrund der bekannten Torsi- onssteifigkeit des Drehstabes ein entsprechendes Eingangsdreh-moment relativ zur Ausgangswelle 12 bestimmt werden. Auf diese Weise wird durch die Be-stimmung der Relativdrehung zwischen Eingangswelle 10 und Ausgangswelle 12 der Dreh-momentsensor 1 18 ausgebildet. Ein solcher Drehmomentsensor 1 18 ist prinzipiell bekannt und kann beispielsweise eine elektromagnetische Sensoranordnung, wie sie weiter unten beschrieben wird, oder durch eine andere Messung der Relativverdrehung realisiert werden. Entsprechend wird ein Lenkmoment, welches von dem Fahrer über das Lenkrad 102 auf die Lenkwelle 1 beziehungsweise die Eingangswelle 10 aufgebracht wird, nur dann den Eintrag eines Hilfsdrehmoments durch eine der Hilfskraftunterstützungen 1 12, 1 14, 1 16 bewirken, wenn die Ausgangswelle 12 gegen den Drehwiderstand des Drehstabs relativ zu der Eingangswelle 10 verdreht wird.

Der Drehmomentsensor 1 18 kann auch alternativ an der Position 1 18' angeordnet sein, wobei dann die Durchbrechung der Lenkwelle 1 in Eingangswelle 10 und Ausgangswelle 12 und die drehelastische Kopplung über den Drehstab entsprechend an einer anderen Position vorliegt, um aus der Relativverdrehung der über den Drehstab mit der Eingangswelle 10 ge- koppelten Ausgangswelle 12 eine Relativdrehung und damit entsprechend ein Eingangsdrehmoment und/oder ein einzubringendes Hilfsdrehmoment bestimmen zu können.

Die Lenkwelle 1 gemäß Figur 1 umfasst weiterhin mindestens ein kardanisches Gelenk 120, mittels welchem der Verlauf der Lenkwelle 1 im Kraftfahrzeug an die räumlichen Gegeben- heiten angepasst werden kann. Der Lenkzwischenwelle der Lenkwelle 1 , der in dem dargestellten Beispiel zwischen zwei kardanischen Gelenken 120 angeordnet ist und die Aus- gangswelle 12 mit dem Ritzel 104 des Lenkgetriebes 103 verbindet, ist erfindungsgemäß als längenveränderbare Lenkwelle 2 ausgebildet.

Figur 2 und Figur 3 zeigen die Lenkwelle 2 in montiertem Zustand (Figur 2) und in axialer Richtung auseinander gezogenem Zustand (Figur 3).

Die Lenkwelle 2 umfasst eine Hohlwelle 21 und eine Zahnwelle 22. Die Zahnwelle 22 weist einen Verzahnungsbereich 23 mit einer Mehrzahl von auf dem Außenumfang angeordneten Zähnen 24 auf, die sich in Richtung der Längsachse L, d.h. axial über die Länge V des Ver- zahnungsbereichs 23 erstrecken.

Aus der Figur 3a ist entnehmbar, dass die Hohlwelle 21 eine zur Zahnwelle 22 hin offene Aufnahmeöffnung 26 mit einer Innenverzahnung 21 1 aufweist, in welcher der Verzahnungsbereich 23 formschlüssig aufnehmbar ist. Zur Herstellung einer drehmomentschlüssigen Ver- bindung wird die Zahnwelle 22 ausgehend von der in Figur 3 dargestellten Situation in axialer Richtung, wie mit dem Pfeil angedeutet in Richtung der Längsachse L in die Aufnahmeöffnung 26 der Hohlwelle 21 eingeführt, so dass der in Figur 2 dargestellte montierte Zustand erreicht wird. In diesem zusammengebauten Zustand können sich die Zahnwelle 22 und die Hohlwelle 21 zum Ausgleich von Abstandsunterschieden entlang der Längsachse L relativ zueinander bewegen, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet.

Aus Figur 3 ist entnehmbar, dass die Zahnwelle 22 außerhalb des Verzahnungsbereichs 23 einen zylindrischen Schaft 25 aufweist, wobei in dem dargestellten Beispiel die Länge V des Verzahnungsbereichs 23 nur einem Teil der Gesamtlänge der Zahnwelle 22 entspricht.

Figur 4 zeigt eine Zahnwelle 22 im teilfertigen Zustand vor der Umspritzung. Diese wird gebildet durch einen bevorzugt aus Metall, vorzugsweise Stahl bestehenden Wellenkern 3. Im Verzahnungsbereich 23 der fertigen Zahnwelle 22 gemäß Figur 5 weist der Wellenkern 3 Kernzähne 31 auf, die im Bereich der Zähne 24 des fertigen Verzahnungsbereichs 23 ange- ordnet sind, so dass sie die aus Stahl bestehenden Grundkörper darstellen, die zur Bildung der fertigen Zähne 24 mit Kunststoff umspritzt werden. Die Länge der Kernzähne 31 in Richtung der Längsachse L entspricht im Wesentlichen der Länge V der fertig umspritzten Zähne 24, und zwar abzüglich der Wandstärke einer möglichen stirnseitigen, d.h. axialen Umspritzung der Kernzähne 31 .

Aus Figur 4 und 5 geht hervor, dass die Längsachse L der Zahnwelle 22 und des Wellenkerns 3 identisch ist. Figur 6 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse L durch eine Spritzgussform 4 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere ist dieser Darstellung entnehmbar, wie der Wellenkern 3 zentriert, d.h. konzentrisch zur Längsachse L zwischen Posi- tionierelementen 42a, 42b und 42c eingespannt ist. Die Anordnung der Positionierelemente 42a, 42b und 42c ist auch in Figur 4 und Figur 5 schematisch gezeigt, wobei die übrige Spritzgussform 4 zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen ist.

Die Positionierelemente 42a, 42b und 42c sind stiftförmig ausgebildet, im dargestellten Bei- spiel mit rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt, dessen Abmessung in Richtung der Längsachse L nur einen Bruchteil der Länge V des Verzahnungsbereichs 23 beträgt. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, dass die Positionierelemente einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen. Im gezeigten Beispiel sind die drei Positionierelemente 42a, 42b und 42c gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet und sind mit ihren freien Enden 43 radial nach innen gegen die Längsachse L gerichtet, so dass der Wellenkern 3 zwischen den freien Enden 43 in einem Formhohlraum 41 koaxial relativ zur Längsachse L zentriert eingespannt ist. In der Spritzgussform 4 ist der Wellenkern 3 im Verzahnungsbereich 23 von der die Zähne 24 begrenzenden Formfläche 41 1 umgeben, d.h. diese Formfläche 41 1 bildet den Negativabdruck des Verzahnungsbereichs 23. Die Formfläche 41 1 ist ebenfalls koaxial zur Längsachse L orientiert.. Die Formfläche 41 1 und der Formhohlraum 41 lassen sich besonders gut in der Figur 6a erkennen, in der eine Detailansicht des in der Figur 6 dargestellten Querschnitts des Spritzgießwerkzeugs mit einer darin eingespannten Zahnwelle vor dem Einspritzen des Kunststoffs dargestellt ist. Im Detail ist eine vergrößerte Querschnittansicht der im Spritzgießwerkzeug eingespannten Zahnwelle gemäß Figur 6 in der Figur 7 dargestellt. Die Positionierelemente 42a, 42b und 42c weisen im Bereich ihrer freien Enden 43 Positionierflächen 44 auf. Die Positionierflächen 44 sind so angeordnet, dass sie mit den in Umfangsrichtung einander zugewandten Zahnflanken benachbarter Kernzähne 31 a und 31 b in Kontakt kommen. Dadurch können die Po- sitionierelemente 42a, 42b und 42c mit den Positionierflächen 44 von außen jeweils formschlüssig zwischen benachbarte Kernzähne 31 a und 31 b eingreifen. Dadurch ist der Wellenkern 3 durch die Positionierelemente 42a, 42b und 42c winkelgenau bezüglich einer Drehung um die Längsachse L innerhalb des Formhohlraums 41 orientiert und zentriert eingespannt. Die Positionierelemente 42a, 42b und 42c sind in einer ersten Radialebene angeordnet, nämlich in der in Figur 6 gezeigten Querschnittsebene. Wie Figur 4 und Figur 5 entnehmbar ist, sind zweite Positionierelemente 45a, 45b und 45c, die prinzipiell gleich ausgestaltet sind, in einer zweiten Radialebene angeordnet, die in Richtung der Längsachse L einen Abstand P (siehe Figur 4) zur ersten Radialebene hat. Für das gezeigte Beispiel gilt, dass P kleiner ist als V, so dass sämtliche Positionierelemente 45a, 45b, 45c, 42a, 42b und 42c innerhalb des Verzahnungsbereichs 23 angeordnet sind. Dadurch wird der Wellenkern 3 in den Schnitt- punkten der ersten und zweiten Radialebene exakt auf der Längsachse L zentriert und ist im Abstand P entsprechend genau konzentrisch in dem Formhohlraum 41 ausgerichtet.

Um den Wellenkern 3 innerhalb des Formhohlraums 41 einspannen zu können, sind die Positionierelemente 42a, 42b und 42c jeweils an einem Schieber 46 angebracht, der segment- artig ausgebildet ist und relativ zur Längsachse L radial bewegbar ist, wie in Figur 6 mit den Doppelpfeilen angedeutet. Bevorzugt sind jeweils zwei in derselben Umfangsposition angeordnete Positionierelemente 42a und 45a, 42b und 45b, sowie 42c und 45c jeweils an einem Schieber 46 befestigt. Zwischen den Schiebern 46 sind in Umfangsrichtung Schieber 47 angeordnet, die ebenfalls segmentartig ausgebildet sind und zum Entformen bezüglich der Längsachse L radial zusammen mit den Schiebern 46 kollisionsfrei auseinanderbewegt werden können.

Werden die Schieber 46 und 47 radial auseinander bewegt, kann ein Wellenkern 3 in die Spritzgussform 4 eingebracht werden. Anschließend werden die Schieber 46 und 47 in radialer Richtung nach innen zusammengefahren, wobei der Wellenkern 3 zwischen den Positionierflächen 44 der Positionierelemente 45a, 45b, 45c, 42a, 42b und 42c wie oben beschrieben zentriert und winkelorientiert im Formhohlraum 41 eingespannt wird. Gleichzeitig wird durch das Zusammenfahren der Schieber 46 und 47 die Spritzgussform 4 geschlossen, wo- bei die Formfläche 41 1 in Umfangsrichtung geschlossen wird.

Bei geschlossener Spritzgussform 4 wird schmelzflüssiger Kunststoff in den Formhohlraum 41 zwischen die Formfläche 41 1 und den Außenumfang des Wellenkerns 3 im Verzahnungsbereich 23 eingespritzt. Dieser in Figur 6a gut erkennbare Formhohlraum 41 definiert die Abmessungen und damit die Wandstärke der noch einzubringenden Kunststoff-Umspritzung 5, welche die Gleitbeschichtung bildet. Somit ist die Kunststoff-Umspritzung gleichbedeutend mit der Gleitbeschichtung.

Das Einspritzen des schmelzflüssigen Kunststoffs in die Spritzgussform 4 kann über axiale, stirnseitig am Formhohlraum 41 angeordnete Einspritzdüsen an den Anspritzpunkten 48 erfolgen, wie in Figur 8 schematisch dargestellt. Die Anspritzpunkte 48 befinden sich in einer Stirnwand 49 der Spritzgussform 4, die dem freien Ende der Kernwelle 3 gegenüberliegt. Zum Entformen kann diese Stirnwand 49 in axialer Richtung von der Kernwelle 3 wegbewegt werden.

Alternativ können die Anspritzpunkte 48 radial angeordnet sein, wie in Figur 9 gezeigt.

Nach dem Abkühlen und Aushärten der Kunststoff-Umspritzung 5 werden die Schieber 46 und 47 zum Entformen sternförmig radial nach außen auseinanderbewegt, so dass die fertig umspritzte Zahnwelle 22 aus der Spritzgussform 4 entnommen werden kann. Dies ist in Figur 5 beispielhaft anhand des radial nach außen wegbewegten Positionierelements 42c de- monstriert. Darin ist ebenfalls erkennbar, dass das Positionierelement 42c in der Kunststoff- Umspritzung 5 innerhalb des Verzahnungsbereichs 23 durch die beim Umspritzen an dem Wellenkern 3 anliegenden Positionierflächen 44 einen Abdruck 51 hinterlassen hat. Entgegen der im Stand der Technik verbreiteten Auffassung ist dieser für die Funktion der längenveränderbaren Lenkwelle 2 unkritisch, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfah- rens im Hinblick auf eine rationellere Fertigung und genauere Kunststoff-Umspritzung 5 ohne Einschränkungen genutzt werden können.

In der Figur 10 ist eine Zahnwelle 22 einer Lenkwelle 1 mit Positionierelementen (42a, 42b, 42c, 45d, 45f, 45g) nach der Umspritzung mit Kunststoff in einer alternativen Ausführungs- form dargestellt. Die Zahnwelle 22 weist außerhalb des Verzahnungsbereichs 23 einen kernverzahnten Schaft 251 auf. Die Positionierelemente 42a, 42b und 42c sind in einer ersten Radialebene angeordnet. Die zweiten Positionierelemente 45a, 45b und 45c, die prinzipiell gleich ausgestaltet sind, sind in einer zweiten Radialebene angeordnet, die in Richtung der Längsachse L einen Abstand P zur ersten Radialebene aufweist. Für das gezeigte Ausfüh- rungsbeispiel gilt, dass P grösser ist als V, so dass lediglich die Positionierelemente 42a,

42b und 42c innerhalb des Verzahnungsbereichs 23 angeordnet sind. Die Positionierelemente 45d, 45e und 45f sind außerhalb des Verzahnungsbereichs 23 angeordnet. Der Wellenkern 3 weist die Kernzähne 31 auf, die sich über den Verzahnungsbereich 23 hinaus in Richtung der Längsachse L über den gesamten Schaft 251 erstrecken. Der Wellenkern 3 ist be- vorzugt als ein gezogenes Profil oder Strangpressprofil ausgebildet. Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass die erste und zweite Radialebene eine große Distanz zueinander aufweisen, so dass eine Schiefstellung der eingespannten Zahnwelle 22 minimiert wird, da ein radialer Versatz der Positionierelemente in der einen Radialebene im Vergleich zum Idealzustand einen geringen Einfluss auf die Schiefstellung nach sich zieht, da die abstützende Län- ge verhältnismäßig groß ist. In der Figur 1 1 ist die Zahnwelle 22 gemäß Figur 4 ohne Positionierelemente nach der Um- spritzung mit Kunststoff dargestellt. Die Positionierelemente 42a, 42b und 42c und 45a, 45b und 45c haben in der Kunststoff-Umspritzung 5 innerhalb des Verzahnungsbereichs 23 durch die beim Umspritzen an dem Wellenkern 3 anliegenden Positionierflächen 44 die Ab- drücke 51 hinterlassen. Die Abdrücke 51 sind dadurch entstanden, dass der eingespritzte Kunststoff die Positionierelemente 42a, 42b, 42c, 45a, 45b und 45c umströmt und die Positionierelemente 42a, 42b, 42c, 45a, 45b und 45c erst nach dem Erstarren des flüssigen Kunststoffs entfernt wurden. Die Abdrücke 51 sind Vertiefungen in der Kunststoff-Umspritzung 5, die einen Durchbruch 51 1 durch die Kunststoff-Umspritzung 5 bis zur Oberfläche der Kernwelle 3 umfasen. Der Durchbruch ist im Bereich der Zahnflanken 31 1 a, 31 1 b der benachbarten Kernzähne 31 a, 31 b ausgebildet. Durch den Kontakt zwischen der jeweiligen Positionierfläche 44 des Positionierelements 42a, 42b, 42c, 45a, 45b, 45c und der jeweiligen Zahnflanke 31 1 a, 31 1 b des benachbarten Kernzahns 31 a, 31 b während dem Umspritzen ist diese Kontaktfläche nicht mit dem Kunststoff beschichtet. An dieser Stelle, an der sich auf Grund des Kontaktes zwischen der Positionierfläche 44 und der Zahnflanke 31 1 a, 31 1 b kein Umspritzung ausbilden kann, entsteht der Durchbruch 51 1 in der Gleitbeschichtung 5.

Der Durchbruch 51 1 lässt sich besonders gut in der Figur 12 erkennen. Figur 12 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Querschnitts gemäß Figur 7 mit zurückgezogenem Positionier- element 42b. Der Abdruck 51 stellt einen Negativabdruck in der Gleitbeschichtung 5 des freien Endes 43 des Positionierelements 42b dar. Der Abdruck 51 ist eine Vertiefung in der Gleitbeschichtung 5 der einen Durchbruch 51 1 im Bereich der Zahnflanken 31 1 a, 31 1 b aufweist, da in diesem Bereich keine Gleitbeschichtung 5 ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die äußere Oberfläche der Kernwelle 3 in dem Bereich des Kontakts zwischen dem Positio- nierelement und den Zahnflanken 31 1 a, 31 1 b nicht beschichtet. An dieser Stelle ist der Durchbruch 51 1 ausgebildet, so dass durch den Durchbruch 51 1 in dem Abdruck 51 die Oberfläche der Kernwelle 3 zu sehen ist.

Bezugszeichenliste

1 Lenkwelle

10 Eingangswelle

12 Ausgangswelle

100 Kraftfahrzeuglenkung

102 Lenkrad

03 Lenkgetriebe

104 Lenkritzel

106 Zahnstange

108 Spurstange

1 10 lenkbares Rad

2 Hilfskraftunterstützung 1 14 Hilfskraftunterstützung 1 16 Hilfskraftunterstützung 1 18 Drehmomentsensor

1 18' Drehmomentsensor

120 Gelenk

2 längenveränderbare Lenkwelle 21 Hohlwelle

22 Zahnwelle

23 Verzahnungsbereich

24 Zahn

25, 251 Schaft

26 Aufnahmeöffnung

3 Wellenkern

31 Kernzahn

31 a, b benachbarter Kernzahn

31 1 Zahnflanke

4 Spritzgussform

41 Formhohlraum

41 1 Formfläche

42a, b,c Positionierelement

43 freies Ende

44 Positionierfläche

45a, b,c Positionierelement

45d,e,f Positionierelement 46, 47 Schieber48 Anspritzpunkt

49 Stirnwand

491 Stirnwand

5 Kunststoff-Umspritzung 51 Abdruck

51 1 Durchbruch

L Längsachse

V Länge Verzahnungsbereich

R Radius