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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Lenkung, umfassend
eine Zahnstange, einen Elektromotor und ein Getriebe zur Übersetzung
eines Drehmoments des Elektromotors in eine Axialkraft an der Zahnstange,
wobei das Getriebe einen Riementrieb mit einem ersten Riemenrad,
einem zweiten Riemenrad und einem diese koppelnden Riemen aufweist.
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Derartige
Lenkungen werden beispielsweise in der
EP 1 457 405 A1 und der
WO2005/000663 A1 beschrieben.
Bei diesen Lenkungen wird das Antriebsmoment des Elektromotors über
eine Getriebestufe und einen Kugelgewindetrieb an der Zahnstange
zur Wirkung gebracht, um den Fahrer eines Kraftfahrzeugs beim Lenken
zu unterstützen. Die Getriebestufe weist einen Zahnriementrieb
auf, der zwischen einer Ausgangswelle des Elektromotors und einer
zur Zahnstange konzentrischen Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs
eingegliedert ist. Über einen Gewindeeingriff der Kugelgewindemutter mit
einem Spindelabschnitt der Zahnstange wird eine Drehbewegung der
Kugelgewindemutter in eine translatorisches Lenkbewegung der Zahnstange
umgesetzt. Der Elektromotor ist dabei achsparallel zur Zahnstange
angeordnet.
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Das
akustische Verhalten derartiger Lenkungen ist jedoch verbesserungsbedürftig,
da es durch den Elektromotor zu einer unerwünschten Anregung von
akustisch wahrnehmbaren Drehschwingungen kommen kann, welche auf
die Zahnstange und die Lenksäule übertragen werden. Üblicherweise
wird daher das Lenkgetriebe gegenüber dem Fahrzeugaufbau
akustisch entkoppelt.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische
Lenkung der eingangs genannten Art im Hinblick auf die akustischen
Eigenschaften zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine elektromechanische Lenkung gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lenkung
umfasst eine Zahnstange, einen Elektromotor und ein Getriebe zur Übersetzung
eines Drehmoments des Elektromotors in eine Axialkraft an der Zahnstange.
Das Getriebe weist einen Riementrieb mit einem ersten Riemenrad,
einem zweiten Riemenrad und einem diese koppelnden Riemen auf. Mindestens
eines der Riemenräder weist einen Außenring und
einen Innenring auf. Der Innenring ist in dem Außenring
angeordnet und vollumfänglich von diesem beabstandet. Ferner
ist ein Dämpfungsmedium in dem zwischen dem Außenring
und dem Innenring gebildeten Raum angeordnet, welches den Außenring
drehelastisch mit dem Innenring koppelt.
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Durch
das Dämpfungsmedium wird die Übertragung von im
Elektromotor auftretenden Schwingungen im Riementrieb der Lenkung
gedämpft, so dass sich diese nicht mehr störend
bemerkbar machen. Im Idealfall wird eine akustische Entkopplung
erzielt.
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Da
das Dämpfungsmedium vollständig in einem Riemenrad
untergebracht wird, können die baulichen Gegebenheiten
des Riementriebs unverändert beibehalten werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen
angegeben.
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Das
Dämpfungsmedium besteht bevorzugt aus einem Gummi- oder
Elastomermaterial.
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Vorzugsweise
ist das Dämpfungsmedium an den Außenring und den
Innenring anvulkanisiert, wodurch sich ein einfach zu handhabendes
Bauteil ergibt.
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Es
ist jedoch auch möglich, das Dämpfungsmedium in
Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Außenring
und dem Innenring zu koppeln, ohne eine feste Verbindung vorzusehen.
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Ferner
kann das Dämpfungsmedium auch lediglich an einen der Ringe
anvulkanisiert und mit dem anderen formschlüssig gekoppelt
sein.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung wird das Dämpfungsmedium
durch mehrere Pufferkörper gebildet, welche formschlüssig
mit Vorsprüngen oder Vertiefungen am Innenumfang des Außenrings
und/oder am Außenumfang des Innenrings in Eingriff stehen.
Die Pufferkörper können dabei gegebenenfalls in
Umfangsrichtung miteinander verbunden sein, so dass das Dämpfungsmedium
ein einfach zu handhabendes Ringelement bildet.
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Insbesondere
bei einem Anvulkanisieren des Dämpfungsmediums können
die Kontaktflächen des Außenrings und des Innenrings
als einfache kreiszylindrische Wandflächen ausgeführt
werden. Das Dämpfungsmedium ist in diesem Fall zwischen
einer kreiszylindrischen Innenwand des Außenrings und einer
kreiszylindrischen Außenwand des Innenrings angeordnet
ist.
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Vorzugsweise
kommt ein Dämpfungsmedium in der Form eines Rings mit konstanter
Wanddicke zum Einsatz.
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Es
ist jedoch auch möglich, Dämpfungsmedien mit einer
zylindrisch unregelmäßigen Form zu verwenden,
welche sich insbesondere für einen Formschluss in Umfangsrichtung
eignen, jedoch bei Bedarf auch anvulkanisiert werden können.
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Ferner
kann das Dämpfungsmedium in Umfangsrichtung lokale Verdickungen
aufweisen.
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Vorzugsweise
ist das Dämpfungsmedium rotationssymmetrisch, um Unwuchten
zu vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Außenring
am Außenumfang eine Verzahnung für einen Zahnriemen auf.
Jedoch kann der Riementrieb auch für andere Riemenarten
wie Flachriemen, Poly-V-Riemen oder Keilriemen konfiguriert sein.
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Prinzipiell
ist es möglich, beide Riemenräder mit einem Dämpfungsmedium
auszustatten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es in der Regel ausreichend
ist, wenn lediglich das antriebseitige Riemenrad eine Dämpfung
aufweist.
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Das
vorstehend erläuterte Riemenrad des Riementriebs wird bevorzugt
nach dem Verfahren gemäß Anspruch 13 hergestellt.
Hierbei wird zunächst der Außenring mit einer
fertigbearbeiteten Außenlauffläche für
den Riemen hergestellt. Anschließend wird ein lediglich
an seinem Außenumfang fertigbearbeiteter Innenringrohling
in den Außenring eingelegt. Darauf erfolgt das Anbringen
des Dämpfungsmediums zwischen dem Außenring und
dem Innenringrohling zur drehelastischen Kopplung derselben. Der
Außenring und der Innenringrohling werden hierdurch berührungsfrei
zueinander positioniert. Erst danach wird eine Innenöffnung
an dem Innenringrohling konzentrisch zur Außenlauffläche
des Außenrings gefertigt.
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Diese
Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass durch den Fügeprozess
des Dämpfungsmediums keine Unrundheit und damit keine Unwucht
im Riementrieb entsteht.
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Vorzugsweise
eignet sich dieses Verfahren für ein Anvulkanisieren des
Dämpfungsmediums an den Außenring und den Innenringrohling.
Jedoch kann das Verfahren auch für formschlüssig
gefügte Riemenräder zum Einsatz kommen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine
schematische Längsschnittansicht einer elektromechanischen
Lenkung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine
Ansicht auf die Stirnseite des Riementriebs der Lenkung,
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3 eine
Detailansicht des Dämpfungsmediums des Riementriebs,
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4 eine
erste Variante für das Dämpfungsmedium,
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5 eine
zweite Variante für das Dämpfungsmedium,
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6 eine
dritte Variante für das Dämpfungsmedium, und in
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7 eine
vierte Variante für das Dämpfungsmedium.
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Das
Ausführungsbeispiel zeigt eine elektromechanische Lenkung 1 für
ein Personenkraftfahrzeug. Diese weist ein Lenkgetriebegehäuse 2 auf, durch
das sich eine Zahnstange 3 erstreckt. An der Zahnstange 3 greift
ein nicht näher dargestelltes Lenkungsritzel an, um einen
vom Fahrer aufgebrachten Lenkbefehl an die Fahrzeugräder
zu übertragen. Weiterhin ist in dem Lenkgetriebegehäuse 2 achsparallel
zu der Zahnstange 3 ein Elektromotor 4 zur Erzeugung
einer Lenkunterstützung angeordnet. Das Abtriebsmoment
des Elektromotors 4 wird über eine Getriebestufe 5 und
einen Kugelgewindetrieb 6 als axiale Hilfskraft an der
Zahnstange 3 zur Wirkung gebracht.
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Die
Getriebestufe 5 ist als Riementrieb ausgebildet. Dabei
sitzt ein erstes Riemenrad 7 auf einer Abtriebswelle des
Elektromotors 4. Ein zweites Riemenrad 8 ist an
einer Kugelgewindemutter 9 des Kugelgewindetriebs 6 angeflanscht.
Beide Riemenräder 7 und 8 sind über
einen Riemen 10 antriebsmäßig miteinander
gekoppelt. Die Kugelgewindemutter 9 dient dazu, ein rotatorisches
Antriebsmoment des Elektromotors 4 in eine translatorische
Bewegungskomponente an der Zahnstange 3 zu übersetzten, um
den Fahrer beim Lenken zu unterstützen. Sowohl die Kugelgewindemutter 9 als
auch die Zahnstange 3 weisen jeweils einen Gewindeabschnitt 11 bzw. 12 auf
und stehen über diese Gewindeabschnitte 11 und 12 mittels
Kugeln 13 miteinander in Eingriff.
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Die
Kugelgewindemutter 9 stützt sich über ein
Wälzlager 14 im Lenkgetriebegehäuse 2 ab.
Das Wälzlager 14 sitzt an einem axialen Endabschnitt
der Kugelgewindemutter 9 und weist einen inneren Laufring 15 sowie
einen äußeren Laufring 16 auf, zwischen
denen eine Vielzahl von Kugeln 17 aufgenommen sind. An
dem äußeren Laufring 16 des Wälzlagers 14 ist
ein radialer Flansch 18 ausgebildet, über den
das Wälzlager 14 an dem Lenkungsgehäuse 2 mittels
Befestigungsschrauben festgelegt ist.
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Der
Elektromotor 4 ist in einem Gehäuseabschnitt des
Lenkungsgehäuses 2 angeordnet, der hierzu eine
entsprechende Ausnehmung 19 aufweist. Diese Ausnehmung 19 ist
von der gleichen Seite her zugänglich, wie die das Wälzlager 14 aufnehmende Ausnehmung
um die Zahnstange 3. Der Elektromotor 4 und das
Wälzlager 14 können achsparallel in ihre
entsprechenden Ausnehmungen eingeschoben werden. Anschließend
kann die Montage des Riementriebs erfolgen.
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Um
zu vermeiden, dass von dem Elektromotor 4 Drehschwingungen
an die Zahnstange 3 übertragen werden und sich
akustisch störend bemerkbar machen, ist erfindungsgemäß eine
Dämpfungsvorrichtung vorgesehen, welche im Idealfall eine
akustische Entkopplung zwischen dem Elektromotor 4 und der
Zahnstange 3 ermöglicht. Die Dämpfungsvorrichtung
ist in den Riementrieb integriert, so dass für diese kein
zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
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Bei
dem in den 1 bis 3 dargestellten ersten
Ausführungsbeispiel wird die Dämpfungsvorrichtung
durch ein Dämpfungsmedium bereitgestellt, welches einen
Außenring und einen Innenring eines Riemenrads drehelastisch
miteinander koppelt. Prinzipiell können beide Riemenräder 7 und 8 jeweils
mit einem Außenring und einem Innenring ausgebildet werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass es in den meisten Fällen
ausreichend ist, lediglich ein Riemenrad mit einer inneren Dämpfungsvorrichtung
auszustatten, um eine ausreichende akustische Dämpfung zu
erzielen. In den 1 und 2 weist
lediglich das antriebsseitige Riemenrad 7 eine solche Dämpfungsvorrichtung
aus. Jedoch kann, je nach Gegebenheit, auch das abtriebseitige Riemenrad 8 mit
einer Dämpfungsvorrichtung ausgestattet werden. Ferner
eignet sich die Dämpfungsvorrichtung auch für solche
Lenkungen, bei denen die Übertragung des Antriebsmoments über
einen Riementrieb erfolgt, der Elektromotor jedoch nicht achsparallel
sondern beispielsweise quer zur Zahnstange 3 angeordnet
ist.
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Da
durch das Dämpfungsmedium zusätzliche Elastizitäten
in die Lenkung eingebracht werden, welche sich unter Umständen
unvorteilhaft auf das Lenkgefühl auswirken können,
muss die Dämpfungsvorrichtung entsprechend abgestimmt werden,
um einerseits eine ausreichende akustische Entkopplung zu gewährleisten
und andererseits ein schwammiges Lenkgefühl zu vermeiden.
Dies erfolgt vorliegend über die Geometrie und Materialauswahl
des Dämpfungsmediums.
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Das
in den 1 bis 3 dargestellte Riemenrad 7 weist
einen Außenring 20 und einen Innenring 21 auf.
Der Innenring 21 ist in dem Außenring 20 angeordnet.
Dabei ist der Außendurchmesser des Innenrings 21 kleiner,
als der freie Öffnungsdurchmesser des Außenrings 20,
so dass beide vollumfänglich von einander beabstandet sind
und einander nicht unmittelbar berühren. In dem zwischen
dem Außenring 20 und dem Innenring 21 gebildeten
Raum ist das Dämpfungsmedium 22 angeordnet, welches
den Außenring 20 drehelastisch mit dem Innenring 21 koppelt.
Der Innenring 21 des Riemenrads 7 ist auf die
Abtriebswelle 23 des Elektromotors 4 aufgesteckt und
an dieser befestigt. Anstelle der in 3 dargestellten
Nut/Feder-Verbindung können auch andere Welle/Nabe-Verbindungen
zum Einsatz kommen, wie beispielsweise eine Kerbverzahnung oder
dergleichen. Das Drehmoment des Elektromotors 4 wird folglich
von der Abtriebswelle 23 auf den Innenring 21 und
von dort über das Dämpfungsmedium 22 auf
den Außenring 20 übertragen, der seinerseits
an seinem Außenumfang mit dem Riemen 10 in Eingriff
steht.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Riemenräder 7 und 8 als
Zahnriemenräder dargestellt, welche über einen
Zahnriemen 10 miteinander gekoppelt sind. Jedoch können
auch andere Riemenarten wie beispielsweise Flachriemen, Poly-V-Riemen
oder Keilriemen zum Einsatz kommen. Die Außenlaufflächen
der Riemenräder 7 und 8 werden jeweils
an den gewählten Riemen 10 angepasst.
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Das
Dämpfungsmedium 22 kann, wie bereits angedeutet,
in unterschiedlicher Weise gestaltet sein. Insbesondere kann die
Geometrie in einer zylindrischen Regelgeometrie bestehen. Jedoch
ist auch eine zylindrisch unregelmäßige Form möglich,
die jedoch vorzugsweise rotationssymmetrisch sein sollte. Die Befestigung
am Außenring 20 und am Innenring 21 kann
durch Anvulkanisieren erfolgen. Auch eine formschlüssige
Festlegung ist möglich. Zudem können beide Befestigungstechniken
miteinander kombiniert werden.
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In 3 wird
das Dämpfungsmedium 22 durch mehrere Pufferkörper 24 aus
Gummimaterial gebildet, welche formschlüssig mit Vertiefungen 25 und 26 am
Innenumfang 27 des Außenrings 20 und am
Außenumfang 28 des Innenrings 21 in Eingriff stehen.
Die Pufferkörper 24 können in den Vertiefungen 25 und 26 zusätzlich
anvulkanisiert sein.
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Bei
der in 4 gezeigten Variante sind die Pufferkörper 24 zusätzlich
in Umfangsrichtung miteinander verbunden, wie dies durch die Stege 29 angedeutet
ist. Die so gebildete zylindrisch unregelmäßige
Form ist rotationssymmetrisch. An den Pufferkörpern 24 weist
das Dämpfungsmedium 22 in Umfangsrichtung lokale
Verdickungen auf.
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5 zeigt
eine weitere Variante, bei der das Dämpfungsmedium 22 zwischen
einer kreiszylindrischen Innenwand 30 des Außenrings 20 und
einer kreiszylindrischen Außenwand 31 des Innenrings 21 angeordnet
ist. Das Dämpfungsmedium 22 ist in diesem Fall
ein einfacher Ring 32 mit konstanter Wanddicke, der an
die Wände 30 und 31 anvulkanisiert ist.
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Bei
der in 6 gezeigten Variante, ist der Ring 32 in
Umfangsrichtung durch mehrere Entlastungsöffnungen 33 unterbrochen.
Die Entlastungsöffnungen 33 sind in Umfangsrichtung
vorzugsweise gleichbeabstandet angeordnet und erstrecken sich über
die gesamte Breite des Riemenrads.
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7 veranschaulicht
eine Möglichkeit der Kombination eines teils anvulkanisierten,
teils formschlüssig festgelegten Dämpfungsmediums 22.
Bei der dargestellten Variante ist das Dämpfungsmedium vollumfänglich
an eine kreiszylindrische Innenwand 30 des Außenrings 20 anvulkanisiert.
In Richtung des Außenumfangs 28 des Innenrings 21 bildet
das Dämpfungsmedium Vorsprünge 34 aus,
welche mit entsprechenden Vertiefungen 35 am Außenumfang 28 des
Innenrings 21 formschlüssig in Eingriff stehen.
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Die
vorstehend erläuterten Varianten für das Dämpfungsmedium 22 stellen
lediglich eine Auswahl möglicher Konfigurationen dar, ohne
dass die Erfindung auf die dargestellten Varianten beschränkt
wäre. Insbesondere ist es möglich, Merkmale der
einzelnen Varianten untereinander in nicht bildlich dargestellter
Weise zu kombinieren oder im Rahmen der Patentansprüche
zu modifizieren.
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In
sämtlichen Fällen ist das Dämpfungsmedium 22 jedoch
im Wesentlichen vollständig innerhalb des Riemenrads 7 aufgenommen,
so dass durch die innere Dämpfungsvorrichtung im Riemenrad 7 kein zusätzlicher
Bauraumbedarf entsteht.
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Ein
unmittelbarer Kontakt zwischen dem Außenring 20 und
dem Innenring 21, welcher eine Schallbrücke bilden
könnte, ist in sämtlichen Fällen ausgeschlossen.
Durch eine so vorgenommene akustische Entkopplung können
andere Maßnahmen zur Geräuschverminderung, wie
beispielsweise eine Entkopplung des Lenkgetriebes zum Fahrzeug,
entfallen, wodurch Aufwand und Kosten eingespart werden.
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Für
eine präzise Lenkunterstützung müssen die
Trummkräfte im Riemen 10 möglichst genau
eingehalten werden. Durch die Aufteilung eines Riemenrads 7 bzw. 8 in
mehrere Komponenten und die Zwischenschaltung eines Dämpfungsmediums 22 besteht
die Gefahr von Unrundheiten der Außenlauffläche
des Außenrings 20 zur Drehachse der Abtriebswelle 23 des
Elektromotors 4 für das dargestellte Riemenrad 7 bzw.
zur Drehachse der Kugelgewindemutter, sofern die Dämpfungsvorrichtung
am abtriebsseitigen Riemenrad 8 angebracht wird.
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Solche
Unrundheiten, welche unerwünschte Unwuchten verursachen,
lassen sich durch ein besonderes Verfahren zur Herstellung eines
Riemenrads für eine Fahrzeuglenkung weitgehend ausschalten.
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Hiernach
wird zunächst ein Außenring 20 hergestellt,
der insbesondere eine fertigbearbeitete Außenlauffläche
für den Riemen aufweist. Vorzugsweise wird der gesamte
Außenring 20 vor seinem Zusammenbau zu einem Riemenrad
fertigbearbeitet.
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In
den Außenring 20 wird dann ein Innenringrohling
eingesetzt, der zwar an seinem Außenumfang bereits fertigbearbeitet
ist, jedoch noch keine fertigbearbeitete Innenöffnung für
die Abtriebswelle 23 bzw. die Kugelgewindemutter aufweist.
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Der
Innenringrohling und der Außenring 20 werden berührungsfrei
zueinander positioniert. Anschließend wird das Dämpfungsmedium
zwischen den Außenring 20 und den Innenringrohling
eingebracht, um beide Komponenten drehelastisch miteinander zu koppeln.
Hierzu kann beispielsweise in einem Formwerkzeug eine Gummimischung
zwischen den Außenring 20 und den Innenringrohling
eingespritzt werden. Es ist jedoch auch möglich, bei einer lediglich
formschlüssigen Verbindung entsprechende Gummielemente
als Pufferkörper 24 in den zwischen dem Außenring 20 und
dem Innenringrohling gebildeten Raum einzupressen. Ferner ist es
möglich, ein Dämpfungsmedium zunächst
an eine Komponente anzuspritzen und diese Einheit dann mit der verbleibenden
Komponente zu verpressen.
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Erst
nach diesem Schritt erfolgt die Fertigung der Innenöffnung 37 an
dem Innenringrohling konzentrisch zur Außenlauffläche
des Außenrings 20. Hierdurch werden Unrundheiten
auf ein Minimum reduziert.
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Die
Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie weiterer Varianten näher erläutert. Sie
ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle
durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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- 1
- Lenkung
- 2
- Lenkgetriebegehäuse
- 3
- Zahnstange
- 4
- Elektromotor
- 5
- Getriebestufe
- 6
- Kugelgewindetrieb
- 7
- Riemenrad
- 8
- Riemenrad
- 9
- Kugelgewindemutter
- 10
- Riemen
- 11
- Gewindeabschnitt
der Kugelgewindemutter
- 12
- Gewindeabschnitt
der Zahnstange
- 13
- Kugel
- 14
- Wälzlager
- 15
- Innenring
- 16
- Außenring
- 17
- Kugel
- 18
- Flansch
- 19
- Gehäuseabschnitt
- 20
- Außenring
- 21
- Innenring
- 22
- Dämpfungsmedium
- 23
- Abtriebswelle
- 24
- Pufferkörper
- 25
- Vertiefung
- 26
- Vertiefung
- 27
- Innenumfang
- 28
- Außenumfang
- 29
- Steg
- 30
- kreiszylindrische
Innenwand
- 31
- kreiszylindrische
Außenwand
- 32
- Ring
aus Elastomermaterial
- 33
- Entlastungsöffnung
- 34
- Vorsprung
- 35
- Vertiefung
- 36
- Verzahnung
- 37
- Innenöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1457405
A1 [0002]
- - WO 2005/000663 A1 [0002]