DE102010053786A1

DE102010053786A1 - Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, Lenkgetriebe mit einer solchen Zahnstange sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010053786A1
Application number: DE201010053786
Authority: DE
Inventors: Marian Dylla; André Huk; Markus Drees
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, ein Lenkgetriebe mit einer solchen Zahnstange sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Zahnstange aus einem einteiligen Grundkörper besteht, bei dem in einem ersten Abschnitt der Zahnstange eine Verzahnung und in einem zweiten Abschnitt ein Spindelgewinde ausgebildet werden. Der erste Abschnitt der Zahnstange, in dem die Verzahnung ausgebildet wird, weist in seinem Kern eine höhere Festigkeit auf als der zweite Abschnitt der Zahnstange, in dem das Spindelgewinde ausgebildet wird. Eine solche Zahnstange hat eine hohe, an die mechanischen Belastungen angepasste Festigkeit und ist dennoch einfach und kostengünstig herstellbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, ein Lenkgetriebe mit einer solchen Zahnstange sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Zahnstangenlenkungen werden vor allem in Personenkraftfahrzeugen und leichten Nutzkraftfahrzeugen eingesetzt. Üblicherweise ist die Zahnstange in einem Lenkgetriebe aufgenommen, das am Fahrzeug befestigt ist. Dabei ist die Zahnstange relativ zu dem Gehäuse des Lenkgetriebes axial verschiebbar, um einen Lenkwinkel an den Rädern des Fahrzeugs einzustellen. Hierzu sind an die Enden der Zahnstange zwei Spurstangen gelenkig angekoppelt, die zu den Fahrzeugrädern führen. Die Zahnstange weist ferner einen Verzahnungsabschnitt auf, der mit einem Lenkungsritzel einer Lenkwelle kämmt, um einen fahrerseitigen Lenkbefehl an die Fahrzeugräder zu übertragen. Bei elektromechanischen Lenkungen unterstützt ein Elektromotor die Lenkbewegung. Das Motormoment wird beispielsweise über einen Riementrieb auf eine Kugelgewindemutter übertragen, die mit einem an der Zahnstange ausgebildeten Spindelabschnitt in Eingriff steht.
Aus der DE 10 2008 028 768 A1 ist eine solche Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung mit einem einen Verzahnungsabschnitt aufweisenden ersten Zahnstangensegment und einem einen Spindelabschnitt aufweisenden zweiten Zahnstangensegment bekannt. Die beiden Zahnstangensegmente sind an Verbindungsabschnitten ineinander gesteckt und durch Umformen miteinander verbunden.
Die DE 10 2008 041 931 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, bei dem der einteilige Grundkörper der Zahnstange mindestens zwei Abschnitte unterschiedlicher Festigkeit aufweist, wobei die Verzahnung im Bereich des Abschnittes geringerer Festigkeit durch Umformen hergestellt wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zahnstange mit hoher beanspruchungsgerechter Festigkeit zu schaffen, die sich dennoch einfach und kostengünstig fertigen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Zahnstange gemäß Patentanspruch 1, ein Lenkgetriebe gemäß Patentanspruch 5 bzw. durch das in Patentanspruch 6 angegebene Verfahren gelöst. Der die Verzahnung aufweisende erste Abschnitt der Zahnstange hat in seinem Kern eine höhere Festigkeit als der das Spindelgewinde aufweisende zweite Abschnitt der Zahnstange in seinem Kern.
Durch die unterschiedliche Festigkeit der beiden Abschnitte der Zahnstange ist eine optimale Abstimmung der mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf die im Betrieb zu erwartenden Beanspruchungen, aber auch auf eine einfache und kostengünstige Herstellung von Verzahnung und Spindelgewinde möglich. Im Bereich ihrer Verzahnung ist eine Zahnstange durch die Querschnittsreduzierung grundsätzlich weniger biegesteif. Die Biegesteifigkeit der Zahnstange im Bereich der Verzahnung wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, insbesondere der im Kern höheren Festigkeit, wesentlich erhöht, so dass ein Versagen bei hoher Biegebeanspruchung sicher vermieden wird. Zudem können die Fertigungsverfahren für die Verzahnung und das Spindelgewinde entsprechend ausgewählt werden, um eine möglichst wirtschaftliche Fertigung der Zahnstange mit geringem Fertigungsaufwand zu ermöglichen. Durch die beanspruchungsgerechte Festigkeit der jeweiligen Abschnitte der Zahnstange lassen sich zudem der Außendurchmesser der Zahnstange und der Materialeinsatz sowie letztlich auch das Bauteilgewicht der fertigen Zahnstange niedrig halten. Auf Stützhülsen und ähnliche Maßnahmen zur Sicherstellung einer ausreichenden Biegesteifigkeit der Zahnstange kann verzichtet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zahnstange bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zu deren Herstellung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Für eine einfach und kostengünstig erzielbare Festigkeitssteigerung des ersten, die Verzahnung aufweisenden Abschnitts der Zahnstange ist es von Vorteil, wenn die Festigkeit dieses ersten Abschnitts der Zahnstange durch eine vor der Herstellung der Verzahnung durchgeführte Vergütung gesteigert wird. Dies kann vorteilhafterweise durch eine sogenannte Teilvergütung erfolgen.
Für eine besonders hohe Festigkeit der Zahnstange in den Bereichen der Verzahnung und des Spindelgewindes, in denen die Krafteinleitung z. B. von dem Lenkritzel der Lenkwelle und von dem unterstützenden Elektromotor auf die Zahnstange erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn die Randschicht der Zahnstange nach der Herstellung von Verzahnung und Spindelgewinde gehärtet wird.
Vorteilhaft ist, wenn die Verzahnung durch Räumen hergestellt wird. Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn das Spindelgewinde durch Walzen hergestellt wird. Durch Verwendung dieser Verfahren lässt sich die erfindungsgemäße Zahnstange besonders einfach und kostengünstig und mit hoher Qualität herstellen.
Für eine einfache Herstellung des Spindelgewindes im Umformverfahren und eine bessere Umformbarkeit ist es von Vorteil, wenn der zweite Abschnitt der Zahnstange vor der Herstellung des Spindelgewindes welch geglüht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Ansicht eines Beispiels für eine elektromechanische Lenkung mit einer erfindungsgemäßen Zahnstange,
2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zahnstange.
1 zeigt ein Lenkgetriebe 1 einer elektromechanischen Lenkung für ein Kraftfahrzeug. Das Lenkgetriebe 1 weist eine Zahnstange 2 auf, die in einem Lenkgetriebegehäuse 3 axial bewegbar gelagert ist. An der Zahnstange 2 greift ein Ritzel 4 einer Lenkwelle 5 an, über die ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment in das Lenkgetriebe 1 eingeleitet wird. Ferner ist die Zahnstange 2 an ihren Enden mit nicht näher dargestellten Spurstangen gelenkig gekoppelt, die zu den Vorderrädern des Fahrzeugs führen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist in dem Lenkgetriebegehäuse 3 ein Elektromotor 6 angeordnet, dessen Antriebsmoment zur Unterstützung des Fahrers über eine Getriebestufe 7, die einen Kugelgewindetrieb 8 einschließt, an der Zahnstange 2 als in axialer Richtung, d. h. in Längsrichtung der Zahnstange 2, wirkende Kraft zur Wirkung gebracht wird. Die Drehachse des Elektromotors 6 verläuft bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu der Zahnstange 2. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, den Elektromotor 6 koaxial um die Zahnstange 2 herum anzuordnen. Prinzipiell kann die Getriebestufe über Zahnräder realisiert werden. Vorzugsweise kommt jedoch ein Riementrieb zwischen einem mit dem Elektromotor 6 gekoppelten Antriebsrad und einem nicht dargestellten Abtriebsrad an einer Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs 8 zum Einsatz. Der zugehörige Riemen ist mit 9 bezeichnet.
Wie auch in der 2 dargestellt ist, weist die einteilig ausgebildete Zahnstange 2 einen ersten Abschnitt 11 mit einer Verzahnung 16 und einen zweiten Abschnitt 12 mit einem Spindelgewinde 17 auf. Die Verzahnung 16 des ersten Abschnitt 11 steht mit dem Ritzel 4 der Lenkwelle 5 in Eingriff. Das Spindelgewinde 17 des zweiten Abschnitts 12 der Zahnstange 2 ist Bestandteil des Kugelgewindetriebs 8 und steht über Kugeln mit der Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs 8 in Eingriff.
Als Grundkörper für die Herstellung der Zahnstange 2 wird vorzugsweise ein Rohling aus einem vergütungsfähigen Stahl verwendet. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Abschnitt 11 der Zahnstange 2, in dem später die Verzahnung 16 ausgebildet werden soll, einem Vergütungsprozess unterzogen und so seine Zugfestigkeit auf 800 bis 1000 N/mm², beispielsweise etwa 900 N/mm² erhöht.
Vergütung bezeichnet die Kombination aus Härten und Anlassen von Stahl bei höheren Temperaturen, um mit dieser Wärmebehandlung das Material mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hohen Zähigkeitseigenschaften zu versehen. Diese Vergütung kann partiell in einem teilkontinuierlichen Prozess erfolgen. Es ist aber ebenfalls möglich, dass zunächst die Zahnstange 2 über ihre gesamte Länge, d. h. kontinuierlich vergütet wird und anschließend der zweite Abschnitt 12, in dem später das Spindelgewinde 17 ausgebildet werden soll, weich geglüht wird, so dass in diesem Bereich eine Zugfestigkeit von 400 bis 600 N/mm², beispielsweise etwa 500 N/mm² erreicht wird. Das Weichglühen des zweite Abschnitt 12 der Zahnstange 2 kann aber auch unabhängig von dem Vergüten des Abschnitts 11 der Zahnstange 2 erfolgen. Durch das Weichglühen wird ein möglichst weicher und gleichmäßiger Zustand des Stahles zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Zahnstange z. B. durch Umformen erreicht.
Anschließend an diese Wärmebehandlung werden in dem Abschnitt 11 der Zahnstange 2 die Verzahnung 16 und in dem zweiten Abschnitt 12 das Spindelgewinde 17 ausgebildet. Die Herstellung der Verzahnung 16 in dem ersten Abschnitt 11, der eine höhere Festigkeit aufweist, erfolgt durch eine bekannte spanende Bearbeitung, beispielsweise das Räumen, Fräsen oder Schleifen. Das Spindelgewinde 17 in dem zweiten Abschnitt 12, der eine niedrigere Festigkeit aufweist, kann schnell und kostengünstig durch ein bekanntes Umformverfahren, beispielsweise das Walzen, hergestellt werden.
Insbesondere um im Bereich der Verzahnung 16 und des Spindelgewindes 17 ein hohe Oberflächenhärte und damit einen hohen Schutz vor Verschleiß sicherzustellen, erfolgt abschließend ein sogenanntes Randschichthärten, das auch als Oberflächenhärten bezeichnet wird. Dabei wird die Randschicht der Zahnstange austenitisiert. Bei diesem Randschichthärten bleiben die nach dem Vergüten bzw. Weichglühen erzielten Festigkeit im Kern der Zahnstange 2 in den beiden Abschnitten 11 und 12 im wesentlichen erhalten. Es wird aber eine wesentliche Steigerung der Festigkeit im äußeren Bereich der Zahnstange 2 erzielt. Beispielsweise beträgt die Zugfestigkeit im äußeren Berech der Zahnstange 2 nach dem Randschichthärten zwischen 2000 und 2500 N/mm². Zudem wird eine Härte in diesem Bereich zwischen 50 und 65 HRC (Rockwellhärte nach Skala C) erreicht, so dass ein hoher Schutz der Zahnstange vor Verschleiß sichergestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Lenkgetriebe
2: Zahnstange
3: Lenkgetriebegehäuse
4: Ritzel
5: Lenkwelle
6: Elektromotor
7: Getriebestufe
8: Kugelgewindetrieb
9: Riemen
11: erster Abschnitt
12: zweiter Abschnitt
16: Verzahnung
17: Spindelgewinde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008028768 A1 [0003]
DE 102008041931 A1 [0004]

Claims

Zahnstange (2) für eine Zahnstangenlenkung, die aus einem einteiligen Grundkörper besteht, der einen ersten Abschnitt (11) mit einer Verzahnung (16) und einen zweiten Abschnitt (12) mit einem Spindelgewinde (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Verzahnung (16) aufweisende erste Abschnitt (11) der Zahnstange (2) in seinem Kern eine höhere Festigkeit hat als der das Spindelgewinde (17) aufweisende zweite Abschnitt (12) der Zahnstange (2) in seinem Kern.
Zahnstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit des ersten Abschnitts (11) der Zahnstange (2) durch eine vor der Herstellung der Verzahnung (16) erfolgte Vergütung gesteigert ist.
Zahnstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (2) eine nach der Herstellung der Verzahnung (16) und des Spindelgewindes (17) ausgebildete Randschichthärtung aufweist.
Zahnstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (16) durch Räumen und/oder das Spindelgewinde (17) durch Walzen hergestellt ist.
Lenkgetriebe mit einer Zahnstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange (2) für eine Zahnstangenlenkung, die aus einem einteiligen Grundkörper besteht, bei dem in einem ersten Abschnitt (11) der Zahnstange (2) eine Verzahnung (16) und in einem zweiten Abschnitt (12) ein Spindelgewinde (17) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (11) der Zahnstange (2), in dem die Verzahnung (16) ausgebildet wird, in seinem Kern eine höhere Festigkeit hat als der zweite Abschnitt (12) der Zahnstange (2), in dem das Spindelgewinde (17) ausgebildet wird, in dessen Kern.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (11) der Zahnstange (2) vor der Herstellung der Verzahnung (16) zur Erhöhung seiner Festigkeit vergütet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (12) der Zahnstange (2) vor der Herstellung des Spindelgewindes (17) weich geglüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (16) durch Räumen und/oder das Spindelgewinde (17) durch Walzen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung von Verzahnung (16) und Spindelgewinde (17) ein Randschichthärten durchgeführt wird.