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Die Erfindung betrifft eine Zahnstange, insbesondere eine Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs. Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Härtung einer Zahnstange.
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Vorrichtungen bzw. Verfahren der genannten Art sind in vielfältiger Weise im Stand der Technik bekannt. Verzahnungen müssen zur Kraftübertragung hohen Belastungen standhalten. Eine Randschichthärtung an Verzahnungen ist aus Festigkeits- und Verschleißgründen erforderlich.
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Verzahnungen an unsymmetrischen Bauteilen wie z. B. Zahnstangen werden üblicherweise vor einem Härteprozess hergestellt. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass die Verzahnungen anschließend durch ein induktives Vorschubverfahren in einem separaten Prozessschritt gehärtet werden. Das Resultat des induktiven Vorschubhärtens ist ein Härtebild, in dem die Zähne in der Verzahnung bis in den Zahnfußbereich vollständig durchgehärtet sind. Durch dieses Vorschubverfahren ergibt sich somit eine Durchhärtung der einzelnen Zähne der Verzahnung bis zu dem jeweiligen Zahngrund.
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Ein Nachteil von derartigen gehärteten Verzahnungen besteht darin, dass die Belastbarkeit von Verzahnungen mit durchgehärteten Zähnen begrenzt ist. So ist das spröde Härtegefüge im Kernbereich der Zähne empfindlich gegenüber Rissbildung. Des Weiteren wird der Eigenspannungszustand durch das Durchhärten der Zähne ungünstig beeinflusst.
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Zwar lassen sich durch ein sogenanntes Einsatzhärten andere Härtezonen als durch Induktionshärten erreichen, aufgrund des bei diesem Verfahren entstehenden starken Verzugs der Bauteile sowie der erforderlichen Aufkohlung des Werkstoffs und der damit sehr geringen Wirtschaftlichkeit ist das Einsatzhärten jedoch nicht für eine Serienfertigung geeignet.
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Eine Möglichkeit zur Lösung der oben genannten Nachteile ist in der Patentanmeldung
DE 10 2008 041 952 A1 der gleichen Anmelderin angegeben worden. Darin wird eine Zahnstange aus einem Vergütungsstahl beschrieben, die eine sich zumindest über einen Teil ihrer Länge erstreckende, mittels Induktionshärten gehärtete Verzahnung aufweist. Die Verzahnung ist derart induktiv gehärtet, dass die Härtetiefe zumindest im Bereich des Zahnkopfes und zumindest über einen Teil der Zahnflanken wenigstens annähernd parallel zu der Außenkontur des Zahns verläuft.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zu oben genannter Möglichkeit alternative Lösung für eine Zahnstange bzw. für ein Verfahren zur Härtung einer Zahnstange aufzufinden, bei der die Zahnstange ebenso einen hinsichtlich der auftretenden Belastungen günstigeren Härteverlauf als die im allgemeinen Stand der Technik beschriebenen Zahnstangen aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einem ersten Aspekt durch eine Zahnstange, insbesondere für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer sich zumindest über einen Teil ihrer Länge erstreckenden Verzahnung gelöst, die zumindest teilweise derart schleifgehärtet ist, dass eine oberflächennahe Härtezone in der Verzahnung entsteht, die einen im Vergleich zu ungehärteten Bereichen weniger duktilen Gefügezustand aufweist.
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Durch eine Schleifhärtung von unsymmetrischen Bauteilen, wie z. B. Zahnstangen, kann erfindungsgemäß eine oberflächennahe Härtezone entlang der beanspruchten Bereiche der Verzahnungen erzeugt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann lediglich der Verzahnungsbereich gehärtet sein, so dass beispielsweise die Zähne in einem Kernbereich nicht gehärtet sein können.
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Die Härtung zur Steigerung der Festigkeit und des Verschleißwiderstandes kann auch lediglich oberflächennah entlang der Außenkontur des Bauteils/Verzahnung erfolgen. Das Ergebnis der Schleifhärtung ist ein entsprechend der Zahnform nachempfundenes Härtebild in der Verzahnung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Härtung auch nur partiell an den beanspruchten Bereichen wie z. B. Zahnkopf, Zahngrund, oder auch Zahnflanke stattfinden. Diese Bereiche können in allen Kombinationen schleifgehärtet sein.
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Die schleifgehärteten Bereiche lassen sich in alle Arten von Vergütungsstählen, beispielsweise legierte oder unlegierte Vergütungsstähle, bilden.
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In einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Härten einer Verzahnung eines länglichen, nicht rotationssymmetrischen Bauteils, insbesondere einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges gelöst, bei dem die Verzahnung zumindest teilweise derart schleifgehärtet wird, dass eine oberflächennahe Härtezone in der Verzahnung gebildet wird, die einen im Vergleich zu ungehärteten Bereichen weniger duktilen Gefügezustand aufweist.
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Die Härtung erfolgt erfindungsgemäß durch das Einbringen von Energie in die Bauteiloberfläche durch Schleifen.
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Das Ergebnis der Schleifhärtung ist ein entsprechend der Zahnform nachempfundenes Härtebild in der Verzahnung.
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Die Härtung kann auch nur partiell an den beanspruchten Bereichen wie z. B. Zahnkopf, Zahngrund, aber auch Zahnflanke stattfinden. Diese Bereiche können in allen Kombinationen schleifgehärtet werden.
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Das Schleifhärten ist hinsichtlich der verwendeten Werkzeuge und Verfahrensparameter zum Erreichen der Schleifhärtung nicht eingeschränkt. Insbesondere können die Parameter und Werkzeuge auf die jeweilige Geometrie und Anforderungen des Bauteils angepasst und angewendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann bei der Zahnstange ausschließlich die Verzahnung im Verzahnungsbereich gehärtet sein.
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Die Herstellung einer schleifgehärteten Verzahnung kann durch die Kombination von zwei oder mehreren Prozessschritten stattfinden. Außerdem besteht die Möglichkeit die schleifgehärtete Verzahnung über einen separaten vorgelagerten Prozessschritt so zu erzeugen, dass sie in einem weiteren Prozessschritt mittels Schleifhärten gehärtet werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Kombination des Schleifhärtens mit einem weiteren Verfahren zur Oberflächenhärtung in einem separaten oder gleichen Prozessschritt möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zahnstange;
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2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung;
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3 eine weitere Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung;
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4 eine weitere Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung;
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5 eine weitere Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung; und
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6 eine detaillierte Seitenansicht einer Zahnstange nach dem Stand der Technik.
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1 zeigt ein längliches, nicht rotationssymmetrisches Bauteil, nämlich eine Zahnstange 1, die insbesondere für ein nicht dargestelltes Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und aus einem Vergütungsstahl besteht. Als mögliche Vergütungsstähle für die Zahnstange 1 können legierte oder unlegierte Stähle verwendet werden.
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Die Zahnstange 1 weist zwei zylindrische Abschnitte 2 auf, die die Enden der Zahnstange 1 bilden. Zwischen den zylindrischen Abschnitten 2 befindet sich eine Verzahnung 3.
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In der vergrößerten Darstellung gemäß 2 ist zu erkennen, dass die Verzahnung 3 einzelne Zähne 5 aufweist, die in fachüblicher Weise jeweils einen Zahnkopf 6 und zwei von dem Zahnkopf 6 ausgehende Zahnflanken 7 aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 5 befindet sich jeweils ein Zahngrund 9, in den die Zahnflanken 7 der Zähne 5 auslaufen.
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Um eine ausreichende Randschichthärte der Verzahnung 3 der Zahnstange 1 zu erreichen, wird diese mittels einer Schleifhärtung gehärtet. Dabei ist die Zahnstange 1 derart schleifgehärtet, dass eine oberflächennahe Härtezone 8 in der Verzahnung 3 entsteht. Wie in 2 gezeigt ist, verläuft die oberflächennahe Härtezone 8 entlang der Außenkontur 10 der Verzahnung 3. Die Härtung erfolgt in eine Weise, dass ein vom Zahnkopf und den zwei Zahnflanken umschlossener Kernbereich 12 eines jeweiligen Zahns ungehärtet ist. Der Kernbereich 12 weist somit einen im Vergleich zu gehärteten Bereichen duktileren Gefügezustand auf.
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Durch die Schleifhärtung kann die Entstehung eines spröden Gefüges in dem Kernbereich 12 der Verzahnung 3 vermieden werden. Das Gefüge in dem Kernbereich 12 ist somit gegenüber der oberflächennahen Härtezone 8 in einem duktileren Gefügezustand. Die Verzahnung 3 ist folglich weniger empfindlich gegenüber Rissbildung und Rissausweitung. Der zähe Kernbereich 12 kann Verformungen an der Verzahnung 3 aufnehmen, um einen höheren Widerstand gegenüber Rissbildung und Rissausweitung zu bilden. Im Vergleich dazu weisen mit konventionellen Verfahren gehärtete Verzahnungen ein Härteprofil auf, bei dem die Zähne bis zum Zahngrund durchgehärtet sind. Ein entsprechendes Vergleichsbeispiel ist in 6 gezeigt. Der durchgehärtete Bereich ist schematisch mit dem Bezugszeichen 14 angegeben.
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Die Härtung erfolgt erfindungsgemäß durch das Einbringen von Energie in die Bauteiloberfläche durch Schleifen. Dabei wird die beim Schleifen in das Werkstück eingebrachte Prozesswärme genutzt, um eine definierte Randschichthärtung zu realisieren. Das Ergebnis der Schleifhärtung ist ein entsprechend der Zahnform nachempfundenes Härtebild in der Verzahnung 3.
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Ein weiteres Ziel ist es, durch die Ausbildung der oberflächennahen Härtezone 8 entlang der Verzahnung 3, den Eigenspannungszustand im Bauteil bzw. im Bereich der Verzahnung 3 positiv zu beeinflussen Eine partielle Gefügeumwandlung an der Verzahnung 3 kann zur Ausbildung von Druckeigenspannungen führen. Höhere Druckeigenspannungen verbessern den Widerstand gegen Rissbildung und Rissausweitung.
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Durch die Schleifhärtung von unsymmetrischen Bauteilen wie z. B. Zahnstangen kann ein Härtebild entlang der beanspruchten Bereiche der Verzahnungen erzeugt werden. Die oberflächennahe Härtezone 8 kann dabei zumindest teilweise im Bereich des Zahnkopfs 6, der Zahnflanken 7 und/oder des Zahngrunds 9 gebildet sein.
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In 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die oberflächennahe Härtezone 8 im Bereich des Zahnkopfs 6 gebildet wurde.
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In 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die oberflächennahe Härtezone 8 im Bereich der Zahnflanken 7 gebildet wurde.
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In 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die oberflächennahe Härtezone 8 im Bereich des Zahngrunds 9 gebildet wurde.
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Die Härtung kann folglich nur partiell an den beanspruchten Bereichen wie z. B. Zahnkopf 5, Zahngrund 9, aber auch an der Zahnflanke 7 stattfinden. Diese Bereiche können sowohl einzeln als auch in allen Kombinationen schleifgehärtet werden.
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Angewendet wird das Schleifhärten auf alle Arten von Vergütungsstähle (legiert, unlegiert, etc.), Einsatzstähle finden hierbei jedoch keine Verwendung.
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Das Schleifhärten ist hinsichtlich der dabei verwendeten Werkzeuge und Verfahrensparameter zum Erreichen der Schleifhärtung nicht eingeschränkt. Insbesondere können die Parameter und Werkzeuge auf die jeweilige Geometrie und Anforderungen des Bauteils angepasst und angewendet werden.
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Die Herstellung der gehärteten Verzahnung 3 kann durch die Kombination von zwei oder mehreren Prozessschritten stattfinden, so z. B. Herstellen der Verzahnung 3 und Härten. Ebenso besteht auch die Möglichkeit die Verzahnung 3 über einen separaten vorgelagerten Prozessschritt so zu erzeugen, dass sie in einem weiteren Prozessschritt mittels Schleifharten gehärtet werden kann. Eine Kombination des Schleifhärtens mit einem weiteren Verfahren zur Oberflächenhärtung in einem separaten oder gleichen Prozessschritt ist ebenso möglich.
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Durch die Schleifhärtung im Bereich der Verzahnung findet ausschließlich eine Härtung der beanspruchten Bereiche statt. Des Weiteren kann das Verfahren in Fertigungslinien und in den Fertigungsfluss integriert werden. Dabei erfolgt Herstellung der Verzahnung 3 und das Härten des Verzahnungsbereiches durch Schleifhärten in einem Prozessschritt, ggf. kann ein weiterer Prozessschritt wie z. B. Schlichten oder Bürsten ebenfalls in diesen einen Prozessschritt integriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnstange
- 2
- zylindrische Abschnitte
- 3
- Verzahnung
- 5
- Zahn
- 6
- Zahnkopf
- 7
- Zahnflanke
- 8
- Härtezone
- 9
- Zahngrund
- 10
- Außenkontur
- 12
- Kernbereich
- 14
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041952 A1 [0006]
