DE102004049365A1

DE102004049365A1 - Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange

Info

Publication number: DE102004049365A1
Application number: DE200410049365
Authority: DE
Inventors: Hubert Heck; Michael Bunte
Original assignee: ThyssenKrupp Presta Steertec GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Presta Muelheim GmbH
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Zahnstange, wobei die Zahnstange ein Kugelgewinde und ein davon bezüglich einer Längsachse der Zahnstange axial beabstandetes Zahnsegment aufweist. Bei dem neuen Verfahren werden sowohl das Kugelgewinde als auch das Zahnsegment in einer Aufspannung des Werkstücks in einer Werkzeugmaschine gefertigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für eine elektrische Kraftfahrzeugservolenkung mit den Merkmalen Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Zahnstange.
Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugservolenkungen sind derzeit zwei grundsätzlich verschiedene Anordnungen bekannt, nämlich zum Einen die Servolenkungen, bei denen ein Elektromotor das Lenkritzel oder die Lenksäule einer ansonsten konventionellen Zahnstangenlenkung antreibt (Pinion Drive, Coloumn Drive), und zum Anderen Servolenkungen bei denen ein Elektromotor über ein Getriebe unmittelbar die Zahnstange antreibt (Rack Drive). Vorteilhaft bei der letztgenannten Bauart ist der unmittelbare Antrieb der Zahnstange durch den Servomotor, so dass die elektromotorisch aufgebrachte Hilfskraft nicht über den Verzahnungseingriff zwischen den Lenkritzel und der Zahnstange erfolgt. Statt dessen wirkt der Servomotor über ei nen Kugelgewindetrieb auf die Zahnstange. Diese Konfiguration ist beispielsweise aus der japanischen Patentanmeldung JP 2001 088717 bekannt.

Bei dieser letzteren Konfiguration gibt es ein konstruktives Problem, das bislang nur mit großem Fertigungsaufwand zu lösen sind. Das Problem ergibt sich daraus, dass die Zahnstange an einem äußeren Ende des langgestreckten Gehäuses gleitgelagert ist und der Eingriff der Zahnstange mit dem Lenkritzel unter der Vorspannung des federbelasteten Druckstücks die zweite Lagerstelle darstellt. Der zusätzliche Eingriff beim Kugelgewindetrieb (Kugelgewinde, Kugeln, Kugelmutter) stellt daher grundsätzlich eine mechanische Überbestimmung dar. Der Kugelgewindetrieb kann auch die Lagerfunktion des Gleitlagers als zweite Lagerstelle übernehmen. Dann ist es erforderlich, die beiden Verzahnungen auf der Zahnstange, nämlich die Verzahnung für das Lenkritzel einerseits und das Kugelgewinde andererseits, möglichst exakt mit Bezug auf die Längsachse der Zahnstange zu fertigen.

In der Praxis führt eine auch nur geringe Abweichung von der Koaxialität der beiden Verzahnungen zu einer Verschränkung des Getriebes und damit zu einer erhöhten Reibung in dem Kugelgewindetrieb. Dieses Problem tritt insbesondere deshalb auf, weil die beiden Bearbeitungsschritte in unterschiedlichen Werkzeugmaschinen durchgeführt werden. Die Verzahnung für das Lenkritzel wird beispielsweise in einem Schmiedeverfahren, Räumverfahren, Fräsverfahren oder Schleifverfahren hergestellt, während das Kugelgewinde rolliert, gewirbelt oder außermittig gedreht wird.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange anzugeben, bei dem eine bessere Ausrichtung der beiden Bearbeitungsvorgänge zur Werkstückmitte gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil sowohl das Kugelgewinde als auch das die Ritzelverzahnung darstellende Zahnsegment in einer Aufspannung des Werkstücks gefertigt werden, ist die Ausrichtung des Kugelgewindetriebs und des Zahnsegments zur gemeinsamen Werkstückmitte wesentlich vereinfacht. Es kann eine höhere Genauigkeit erzielt werden. Vorzugsweise werden sowohl der Kugelgewindetrieb als auch das Zahnsegment durch Wirbeln oder außermittiges Drehen gefertigt. Die Ritzelverzahnung wird vorzugsweise mit einem Radius gefertigt, der den Radius des Werkstücks übersteigt. Weiter ist vorteilhaft, wenn sich bei den Bearbeitungsgängen für das Kugelgewinde und das Zahnsegment das Werkstück dreht.

Weiter ist vorteilhaft, wenn das Zahnsegment exzentrisch zu dem Kugelgewinde insbesondere mit einem zweiten Werkzeug gefertigt wird. Es ist dann ein großer Bearbeitungsradius möglich. Die Zähne erhalten vorzugsweise die Form einer Evolvente wenn die Zähne in einer Richtung parallel zu den Zahnflanken bogenförmig ausgeführt sind, ergibt sich als weiterer Vorteil ein Freiheitsgrad in dem Eingriff zwischen Lenkritzel und Zahnsegment gegenüber einer begrenzten Verkippung der Zahnstange um ihre Längsachse.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Zahnstange in einer perspektivischen Darstellung;
2: die Zahnstange nach 1 in einer Seitenansicht; sowie
3: einen Querschnitt durch die Zahnstange gemäß 1 und 2 entlang der Linie III-III.
In der 1 ist eine Zahnstange 1 in einer perspektivischen Darstellung veranschaulicht. Die Zahnstange 1 ist im wesentlichen stangenförmig, zylindrisch und langgestreckt, wobei die Längsachse mit 2 bezeichnet ist. An den beiden Enden weist die Zahnstange 1 jeweils Anschlüsse 3 für die Befestigung eines Spurstangenkopfes auf.
In einem in der 1 linken Abschnitt ist außermittig ein Zahnsegment 4 angeordnet, das in an sich bekannter Weise dazu eingerichtet ist, mit einem von einer Längssäule angetriebenen Lenkritzel zu kämmen und dadurch eine Lateralverschiebung der Zahnstange 1 in Richtung der Längsachse 2 zu bewirken. In der 1 rechts weist die Zahnstange 1 einen ebenfalls außermittigen Abschnitt auf, der mit einem Kugelgewindeabschnitt 5 versehen ist. Der Kugelgewindeabschnitt 5 ist koaxial zu der Längsachse 2 in die Oberfläche der Zahnstange 1 eingebracht.
Die 2 zeigt die Zahnstange gemäß 1 in einer Seitenansicht. Das Kugelgewinde 5 und das Zahnsegment 4 sind in ihrer Lage bezüglich der Längsachse oder Mittenachse 2 mit sehr geringen Toleranzen definiert. Das mit dem Zahnsegment 4 kämmenden Ritzel ist ebenfalls in dem gleichen Gehäuse gelagert. Der gleiche Eingriff zwischen dem Zahnsegment 4 und dem Ritzel ist deshalb nur mit sehr geringen Toleranzen so genau zu fertigen, dass er im wesentlichen spielfrei ist. Gleiches gilt für das Kugelgewinde 5, dessen Kugelmutter zusammen mit dem Elektromotor ebenfalls an dem äußeren Lenkgehäuse befestigt ist. Eine Abweichung zwischen der Symmetrieachse des Kugelgewindes 5 und der Längsachse 2 der Zahnstange 1 würde zu einer Verschränkung des Antriebs führen.
Bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren wird deshalb die Zahnstange 1 in eine Werkzeugmaschine eingespannt, in der das Kugelgewinde 5 und das Zahnsegment 4 in einer Aufspannung gefertigt werden können. Die Werkzeugmaschine ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Wirbelmaschine, wie sie üblicherweise für die Fertigung des Kugelgewindes 5 eingesetzt wird. Die Wirbelmaschine wird aber nun auch zum Herstellen des Zahnsegments 4 verwendet, wodurch die Bearbeitung sowohl des Kugelge windes 5 als auch des Zahnsegments 4 immer in Bezug auf die Längsachse 2 erfolgen kann.
Eine konkrete Gestaltung des Zahnsegments 4 ist in der 3 dargestellt. Die 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie III-III in der 2.
Das Zahnsegment 4 wird in der Wirbelmaschine oder einer Drehmaschine bezüglich der Längsachse 2 exzentrisch gewirbelt bzw. bearbeitet. Es entsteht ein Bearbeitungskreis 10, dessen Mittelpunkt in der 3 deutlich unterhalb der Zahnstange 1 liegt. Das Verhältnis der Radien der Zahnstange 1 einerseits und des Bearbeitungskreises 10 andererseits liegt vorzugsweise im Bereich von 1:2 bis 1:10. Besonders geeignet ist ein Verhältnis der Radien von etwa 1:6.
Durch das spezielle Bearbeitungsverfahren verhält das Zahnsegment 4 eine in der Umfangsrichtung der Zahnstange 1 bogenförmige Zahnform, die sich parallel zu dem Bearbeitungskreis 10 erstreckt. Diese Zahnform entspricht einer Evolvente. Gegenüber der üblichen Zahnform des Zahnsegements 4, bei der der Zahnkopf und der Zahnfuß gerade ist, ergibt sich als weiterer Vorteil ein Freiheitsgrad im Bereich des Eingriffs zwischen dem Zahnsegment 4 und dem Lenkungsritzel. Der Freiheitsgrad besteht darin, dass ein Kippen der Zahnstange 1 um die Längsachse 2 beispielsweise unter dem Einfluss des Antriebsdrehmoments, welches auf das Kugelgewinde 5 wirkt, unkritisch ist. Ein Kippen um einige Grad kann durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad aufgefangen werden.
Bei der Fertigung wird vorteilhaft das Zahnsegment 4 in derselben Aufspannung in derselben Werkzeugmaschine gefertigt, aber mit einem zweiten Werkzeug. Eine eigene Sondermaschine für die Fertigung des Zahnsegments 4 ist nicht mehr erforderlich.
In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann das Zahnsegment 4 auch umlaufend um die Zahnstange 1 an geordnet sein, so dass also der Mittelpunkt des Bearbeitungskreises auf der Längsachse 2 liegt. Das Zahnsegment ist dann axial zu dem Kugelgewindeabschnitt.

Claims

Verfahren zur Fertigung einer Zahnstange, wobei die Zahnstange (1) ein Kugelgewinde (5) und ein davon bezüglich einer Längsachse (2) der Zahnstange (1) axial beabstandetes Zahnsegment (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Kugelgewinde (5) als auch das Zahnsegment (4) in einer Aufspannung des Werkstücks in einer Werkzeugmaschine gefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Kugelgewindetrieb (5) als auch das Zahnsegment (4) durch Wirbeln oder außermittiges Drehen gefertigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnsegment (4) mit einem Bearbeitungsradius gefertigt wird, der den Radius des Werkstücks übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Bearbeitungsradius (10) und dem Radius der Zahnstange (4) zwischen 2 und 10 beträgt, insbesondere im Bereich von 6 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei den Bearbeitungsgängen für das Kugelgewinde (5) und das Zahnsegment (4) das Werkstück um die Längsachse (2) dreht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnsegment (4) exzentrisch zu dem Kugelgewinde (5) insbesondere mit einem zweiten Werkzeug gefertigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne des Zahnsegments (4) in einer Richtung parallel zu den Zahnflanken bogenförmig ausgeführt werden und insbesondere die Zähne die Form einer Evolvente erhalten.
Zahnstange für eine Kraftfahrzeuglenkung, gefertigt nach einem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7.