DE102007000950A1

DE102007000950A1 - Zahnstange und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102007000950A1
Application number: DE102007000950A
Authority: DE
Inventors: Matthias Mück; Alfred Brenner
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: DE102007000950B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge mit folgenden Schritten: - Ein Rohling für das Verzahnungselement der Zahnstange hat eine rotationssymmetrische oder eine vorgeprägte und dadurch von einem Kreiszylinder abweichende Form; - die Größe und Form des Querschnitts des vorgeprägten Rohlings werden derart gewählt, dass die Kontur der fertigen Zahnstange im Verzahnungsbereich nicht über einen durch die Abmessungen benachbarter Teile der Zahnstangenlenkung vorgegebenen Hüllkreis hinausragt; - ein Rohling für das Lagerelement der Zahnstange hat eine rotationssymmetrische Form; - an den Rohlingen des Verzahnungselementes und des Lagerelementes wird jeweils an der Fügefläche eine Verbindungsgeometrie hergestellt; - die Rohlinge des Verzahnungselementes und des Lagerelementes werden zusammengeführt; - die Zahnstange wird durch Taumelschmieden aus den Rohlingen umgeformt; - während des Taumelschmiedens werden die beiden Rohlinge fest miteinander verbunden; - nach dem Abschluss des Taumelschmiedens weist die Zahnstange in ihrem Verzahnungsbereich außerhalb der Verzahnung ein konvexes oder konkaves Längsprofil auf, das während des Taumelschmiedens zum Anstützen der Taumelmomente dient. Ferner umfasst die Erfindung eine Zahnstange für Zahnstangenlenkungen für Kraftfahrzeuge, die durch das beschriebene Verfahren hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange für Zahnstangenlenkungen für Kraftfahrzeuge und eine Zahnstange, die nach einem solchen Verfahren hergestellt ist.
Aus der DE 197 26 697 A1 ist ein solches Verfahren bekannt. Dabei wird zunächst für den Rohling eine vom Kreiszylinder abweichende Querschnittsform ausgewählt, damit die Kontur der fertigen Zahnstange im Verzahnungsbereich nicht über einen bestimmten Hüllkreis hinausragt. Anschließend wird die Zahnstange durch ein Taumelschmiedeverfahren umgeformt, so dass ein Verzahnungsbereich sowie ein Lagerbereich für die Zahnstange entstehen. Zwar wäre im Verzahnungsbereich eine geringere Kernfestigkeit für eine hohe Umformleistung und im Lagerbereich eine höhere Kernfestigkeit für eine bessere Härtbarkeit günstig, dennoch muss hier bei der Auswahl des Werkstoffes ein Kompromiss gefunden werden.
In der WO 2006/047825 wird eine kombinierte Zahnstange beschrieben. Bei dieser zweiteiligen Zahnstange werden ein Zahnstangenelement und ein Schaftelement mit Hilfe eines Zentrierstückes zusammengesteckt und anschließend verschweißt. Das Verfahren umfasst aber zusätzliche Arbeitsgänge, weil das Herstellen der Verzahnung und das Verbinden der beiden Elemente getrennt durchgeführt werden. Zudem erfordert die Paarung sehr enge Toleranzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweiteilige Zahnstange und ein Herstellverfahren für eine solche Zahnstange anzugeben, mit dem das Herstellen der Verzahnung und das Verbinden der zwei Elemente in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Dadurch wird ein Beitrag zur Erfüllung der Forderungen nach geringeren Kosten und Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe geleistet.
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 offenbarte Verfahren und durch die in Anspruch 8 gekennzeichnete Zahnstange gelöst.
Das Verfahren zum Herstellen einer solchen zweiteiligen Zahnstange beginnt mit der Auswahl eines Rohlings für das Verzahnungselement. Der Rohling kann sowohl eine rotationssymmetrische als auch eine vorgeprägte Querschnittsform aufweisen.
Die vorgeprägte Form besitzt eine vom Kreiszylinder abweichende Form. Die Größe und Form des Querschnitts des vorgeprägten Rohlings können derart gewählt werden, dass die Kontur des fertigen Verzahnungselementes nicht über einen durch die Abmessungen benachbarter Teile der Zahnstangenlenkung vorgegebenen Hüllkreis hinausragt.
Der Querschnitt des Rohlings des Lagerelementes ist immer rotationssymmetrisch.
An dem Verzahnungselement und dem Lagerelement wird jeweils an der Fügefläche eine Verbindungsgeometrie hergestellt. Diese Verbindungsgeometrie dient zur Zentrierung und stellt ein einfaches Zusammenführen der beiden Elemente sicher.
Danach wird die Zahnstange durch ein Taumelschmiedeverfahren aus dem Rohling umgeformt. Während des Taumelschmiedens werden gleichzeitig die beiden Elemente der Zahnstange durch Fließpressvorgänge miteinander verbunden.
Wenn für den Rohling des Verzahnungselementes ein rotationssymmetrischer Querschnitt gewählt wurde, entsteht nach dem Taumeln ein Grat, der abschließend durch ein zerspanendes Verfahren entfernt werden muss.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.
Das Längsprofil, das während des Taumelschmiedens zum Abstützen der Taumelmomente und bei der fertigen Zahnstange durch eine genaue Führung und Anstützung an einem Druckstück der Zahnstangenlenkung als Funktionsverbesserung dient, kann während des Taumelschmiedens in den Rohling des Verzahnungselementes eingearbeitet werden. Dadurch ist es möglich, einen Rohling mit einer relativ einfachen Außenkontur zu verwenden. Besteht jedoch die Möglichkeit, dieses Längsprofil bereits vor dem Taumelschmieden, beispielsweise durch ein Präge-, Zieh- oder Walzverfahren, in den Rohling einzuarbeiten, so kann das Taumelschmieden auf die eigentliche Umformung des Rohlings des Verzahnungselementes der Zahnstange sowie der Verbindung beider Bauteile beschränkt werden.
Die Forderung, dass die Kontur der fertigen Zahnstange im Verzahnungsbereich nicht über einen bestimmten Hüllkreis hinausragen soll, kann dadurch erfüllt werden, dass der Rohling des Verzahnungselementes wenigstens zwei zueinander geneigte Abflachungen oder zwei im wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete Einschnürungen des Querschnittes aufweist.
Zur weiteren Gewichtseinsparung kann in den Rohlingen wenigstens ein Hohlraum vorgesehen sein, der sich in Längsrichtung der Zahnstange erstreckt.
Die mit einem vorgeprägten Rohling hergestellte Zahnstange weist eine Kontur auf, die im Verzahnungsbereich nicht über einen durch die Abmessungen benachbarter Teile der Zahnstangenlenkung vorgegebenen Hüllkreis hinausragt. Der Durchmesser des Hüllkreises wird bei einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung beispielsweise durch den Innendurchmesser einer in dem Lagerbereich der Zahnstange angeordneten Dichtung vorgegeben.
Das konvexe oder konkave Längsprofil im Verzahnungsbereich der Zahnstange wird zweckmäßigerweise durch eine Längsnut gebildet, die an der Außenumfangsfläche der Zahnstange an der der Verzahnung gegenüberliegenden Seite der Zahnstange liegt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Teil-Längsschnitt durch eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung;
2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in 1;
3 die zweiteilige Zahnstange nach dem Zusammenfügen
4 bis 7 verschiedene Querschnittsformen eines Rohlings für die Zahnstange.
In einem Lenkgehäuse 1 ist ein Ritzel 2 in zwei Lagern 3 und 4 drehbar gelagert. Das Ritzel 2 steht über seine Verzahnung in Eingriff mit der Zahnstange 5, die in dem Lenkgehäuse 1 axial verschiebbar geführt ist. Die Zahnstange 5 wird mit Hilfe eines federbelasteten Druckstückes 6 gegen die Verzahnung des Ritzels 2 gedrückt.
Die Zahnstange 5 weist einen Verzahnungsbereich 7 und wenigstens einen Lagerbereich 8 auf. Der Lagerbereich 8 ist in dem Ausführungsbeispiel der 1, in dem eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung dargestellt ist, gleichzeitig die Kolbenstange eines Servomotors 9. Der Servomotor 9 enthält in seinem Zylinder 10 zwei Zylinderräume 11 und 12, die durch einen Kolben 13 voneinander getrennt sind. Die Zylinderräume 11 und 12 sind nach außen gegenüber dem Lagerbereich 8 der Zahnstange 5 durch Dichtungen 14 und 15 abgedichtet. Das Lagerelement 8 besitzt einen Zapfen 23, der in die Zentrierbohrung 22 des Verzahnungselementes 7 eingeführt ist.
Die Zahnstange 5 weist in ihrem Verzahnungsbereich an der Außenumfangsfläche an der Seite, die der Verzahnung gegenüberliegt, eine Längsnut 16 auf. Die Längsnut 16 arbeitet mit einer an dem Druckstück 6 angeformten Längsnase 17 zusammen. Durch das Zusammenwirken der Längsnut 16 und der Längsnase 17 wird ein Kippen der Zahnstange 5 im Betrieb verhindert. Mit gleicher Wirkung können diese beiden Elemente vertauscht werden, so dass die Längsnase an der Zahnstange 5 und die Längsnut an dem Druckstück 6 angeordnet sind.
Im folgenden wird das Verfahren zum Herstellen einer solchen Zahnstange beschrieben. Zunächst wird ein Rohling 7 für das Verzahnungselement ausgewählt. Dieser kann eine rotationssymmetrische oder eine vorgeprägte Form haben. Die vorgeprägte Form weist eine von einem Kreiszylinder abweichende Form auf. Einige Möglichkeiten für den Querschnitt eines solchen Rohlings 7 für das Verzahnungselement sind in den 4 bis 7 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Dabei soll seine Größe und Form derart gewählt werden, dass die Kontur der fertigen Zahnstange in ihrem Verzahnungsbereich nicht über einen durch die Abmessungen benachbarter Teile der Zahnstangenlenkung vorgegebenen Hüllkreis hinausragt. Bei einer Zahnstange, die für eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung beispielsweise nach 1 vorgesehen ist, ist der Durchmesser des Hüllkreises durch den Innendurchmesser der Dichtung 15 vorgegeben, die den Zylinderraum 12 auf dem Lagerbereich 8 der Zahnstange 5 abdichtet.
Bei der Ausführung nach 4 weist der Rohling für das Verzahnungselementes der Zahnstange zwei zueinander geneigte Abflachungen 18 auf. Diese Abflachungen 18 sind zweckmäßigerweise symmetrisch zueinander angeordnet. Der Querschnitt des Rohlings des Lagerelementes ist immer rotationssymmetrisch.
An dem Verzahnungselement 7 und dem Lagerelement 8 wird jeweils an der Fügefläche eine Verbindungsgeometrie hergestellt. In dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist das Verzahnungselement beispielsweise auf einer Seite eine Zentrierbohrung 22 in axialer Richtung auf. Das Lagerelement besitzt einen Zapfen 23, der beim Zusammenführen der beiden Teile in die Zentrierbohrung geführt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Zahnstange durch Taumelschmieden aus den beiden Rohlingen 7 und 8 umgeformt.
Um den Rohling 7 während des Taumelschmiedens gegenüber den Taumelmomenten abzustützen, wird zu Beginn des Taumelschmiedens ein konkaves Längsprofil in der Form der späteren Längsnut 16 in den Rohling 7 und damit in die Zahnstange 5 eingearbeitet. Eine solche Längsnut 19 kann unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung des Rohlings 7 auch in den anderen Ausführungsformen des Rohlings enthalten sein.
In den Ausführungsbeispielen nach 5 bis 7 weist der vorgeprägte Rohling 7 jeweils wenigstens einen Hohlraum 20 auf, der sich in Längsrichtung des Rohlings wenigstens im Verzahnungsbereich der Zahnstange erstreckt. In 6 ist der Hohlraum 20 auf zwei Hohlräume aufgeteilt, in 7 hat er eine ovale Form.
Anstelle der beiden zueinander geneigten Anflachungen 18 besitzt der Rohling 7 in dem Ausführungsbeispiel nach 7 zwei im wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete Einschnürungen 21, so dass sich in etwa ein birnenförmiger Querschnitt ergibt.
Anstelle der einen Längsnut 19 kann der Rohling auch zwei oder mehr entsprechend kleinere Längsnuten aufweisen.
Ebenso ist es möglich, zwei oder mehr derartige Längsnuten während des Taumelschmiedens einzuarbeiten. Wie bereits oben bei der Beschreibung der Zahnstange erwähnt, können die Längsnuten 19 auch als konvexe Längsprofile an dem Rohling vorhanden sein bzw. ausgearbeitet werden.
Während des Taumelschmiedens werden gleichzeitig die beiden Elemente der Zahnstange durch Fließpressvorgänge miteinander verbunden.

1: Lenkgehäuse
2: Ritzel
3: Lager
4: Lager
5: Zahnstange
6: Druckstück
7: Verzahnungselement
8: Lagerelement
9: Servomotor
10: Zylinder
11: Zylinderraum
12: Zylinderraum
13: Kolben
14: Dichtung
15: Dichtung
16: Längsnut
17: Längsnase
18: Anflachung
19: Längsnut
20: Hohlraum
21: Einschnürung
22: Zentrierbohrung
23: Zapfen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19726697 A1 [0002]
- WO 2006/047825 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange 5 für eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge mit folgenden Schritten: – ein Rohling 7 für das Verzahnungselement der Zahnstange 5 hat eine rotationssymmetrische oder eine vorgeprägte, und dadurch von einem Kreiszylinder abweichende Form; – die Größe und Form des Querschnitts des vorgeprägte Rohlings 7 werden derart gewählt, dass die Kontur der fertigen Zahnstange 5 im Verzahnungsbereich 7 nicht über einen durch die Abmessungen benachbarter Teile der Zahnstangenlenkung vorgegebenen Hüllkreis hinausragt; – ein Rohling 8 für das Lagerelement der Zahnstange 5 hat eine rotationssymmetrische Form; – an den Rohlingen des Verzahnungselementes 7 und des Lagerelementes 8 wird jeweils an der Fügefläche eine Verbindungsgeometrie hergestellt. – die Rohlinge des Verzahnungselementes 7 und des Lagerelementes 8 werden zusammengeführt; – die Zahnstange 5 wird durch Taumelschmieden aus den Rohlingen 7 und 8 umgeformt; – während des Taumelschmiedens werden die beiden Rohlinge fest miteinander verbunden; – nach dem Abschluss des Taumelschmiedens weist die Zahnstange 5 in ihrem Verzahnungsbereich 7 außerhalb der Verzahnung ein konvexes oder konkaves Längsprofil auf, das während des Taumelschmiedens zum Anstützen der Taumelmomente dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsprofil in der Zahnstange 5 während des Taumelschmiedens in den Rohling 7 eingearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsprofil in der Zahnstange 5 bereits vor dem Taumelschmieden in dem Rohling 7 vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rohlings 7 wenigstens zwei zueinander geneigte Abflachungen 18 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rohlings 7 wenigstens zwei im wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete Einschnürungen 21 des Querschnittes aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rohlings 7 einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling 7 wenigstens einen sich in Längsrichtung der Zahnstange erstreckenden Hohlraum 20 aufweist.
Zahnstange für Zahnstangenlenkungen für Kraftfahrzeuge, mit einem Verzahnungsbereich 7 und wenigstens einem Lagerbereich 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist
Zahnstange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auswahl eines vorgeprägten Rohlings die Kontur der Zahnstange 5 im Verzahnungsbereich 7 nicht über einen durch die Abmessungen benachbarter Teile der Zahnstangenlenkung vorgegebenen Hüllkreis hinausragt.
Zahnstange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines rotationssymmetrischen Rohlings der Verzahnungsbereich 7 ein Grat aufweist.
Zahnstange nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Hüllkreises bei einer Zahnstange 5 für eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung durch den Innendurchmesser einer in dem Lagerbereich 8 der Zahnstange 5 angeordneten Dichtring 15 vorgegeben ist.
Zahnstange nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange 5 in ihrem Verzahnungsbereich 7 außerhalb der Verzahnung ein konvexes oder konkaves Längsprofil aufweist.
Zahnstange nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsprofil durch wenigstens eine an der Außenumfangsfläche der Zahnstange 5 und der Verzahnung gegenüber liegende Längsnut 16 gebildet ist.