Zahnstange und Verfahren zur Herstellung

*DE102007000950A120090409*
(19)
Bundesrepublik Deutschland
Deutsches Patent- und Markenamt
(10)
DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
(12)
Offenlegungsschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2007 000 950.1
(22) Anmeldetag: 19.09.2007
(43) Offenlegungstag: 09.04.2009
(71) Anmelder:
ZF Lenksysteme GmbH, 73527 Schwäbisch
Gmünd, DE
(72) Erfinder:
Mück, Matthias, 73527 Schwäbisch Gmünd, DE;
Brenner, Alfred, 73540 Heubach, DE
(51) Int Cl. 8 : B21K 1/76 (2006.01)
(56) Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht zu
ziehende Druckschriften:
DE 102 52 056 A1
DE 40 06 038 A1
Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
Rechercheantrag gemäß § 43 Abs. 1 Satz 1 PatG ist gestellt.
(54) Bezeichnung: Zahnstange und Verfahren zur Herstellung
(57) Zusammenfassung: 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.
1/9

DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
einer Zahnstange für Zahnstangenlenkungen
für Kraftfahrzeuge und eine Zahnstange, die nach einem
solchen Verfahren hergestellt ist.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1
offenbarte Verfahren und durch die in Anspruch 8 gekennzeichnete
Zahnstange gelöst.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] Der Querschnitt des Rohlings des Lagerelementes
ist immer rotationssymmetrisch.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen
des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2
bis 7 angegeben.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] Zur weiteren Gewichtseinsparung kann in
den Rohlingen wenigstens ein Hohlraum vorgesehen
sein, der sich in Längsrichtung der Zahnstange erstreckt.
[0016] Die mit einem vorgeprägten Rohling hergestellte
Zahnstange weist eine Kontur auf, die im Ver-
2/9

DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
zahnungsbereich 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.
[0017] 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.
[0018] Im folgenden wird die Erfindung anhand
mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
[0019] Es zeigen:
[0020] Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch eine
Zahnstangen-Hilfskraftlenkung;
[0021] Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in
Fig. 1;
[0022] Fig. 3 die zweiteilige Zahnstange nach dem
Zusammenfügen
[0023] Fig. 4 bis Fig. 7 verschiedene Querschnittsformen
eines Rohlings für die Zahnstange.
[0024] 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.
[0025] Die Zahnstange 5 weist einen Verzahnungsbereich
7 und wenigstens einen Lagerbereich 8 auf.
Der Lagerbereich 8 ist in dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 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.
[0026] 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.
[0027] 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 Fig. 4 bis Fig. 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 Fig. 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.
[0028] Bei der Ausführung nach Fig. 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.
[0029] An dem Verzahnungselement 7 und dem Lagerelement
8 wird jeweils an der Fügefläche eine
Verbindungsgeometrie hergestellt. In dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 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.
[0030] In einem weiteren Verfahrensschritt wird die
Zahnstange durch Taumelschmieden aus den beiden
Rohlingen 7 und 8 umgeformt.
[0031] 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.
3/9

[0032] In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5
bis Fig. 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 Fig. 6 ist der
Hohlraum 20 auf zwei Hohlräume aufgeteilt, in Fig. 7
hat er eine ovale Form.
[0033] Anstelle der beiden zueinander geneigten
Anflachungen 18 besitzt der Rohling 7 in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 7 zwei im wesentlichen
symmetrisch zueinander angeordnete Einschnürungen
21, so dass sich in etwa ein birnenförmiger Querschnitt
ergibt.
[0034] Anstelle der einen Längsnut 19 kann der
Rohling auch zwei oder mehr entsprechend kleinere
Längsnuten aufweisen.
[0035] 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.
[0036] Während des Taumelschmiedens werden
gleichzeitig die beiden Elemente der Zahnstange
durch Fließpressvorgänge miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste
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
DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
4/9

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 19726697 A1 [0002]
- WO 2006/047825 [0003]
DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
5/9

DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
Patentansprüche
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Längsprofil in der Zahnstange 5
während des Taumelschmiedens in den Rohling 7
eingearbeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Längsprofil in der Zahnstange 5
bereits vor dem Taumelschmieden in dem Rohling 7
vorhanden ist.
7. 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.
8. 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
9. 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.
10. Zahnstange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass bei Verwendung eines rotationssymmetrischen
Rohlings der Verzahnungsbereich 7
ein Grat aufweist.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des
Rohlings 7 wenigstens zwei zueinander geneigte Abflachungen
18 aufweist.
5. 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.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des
Rohlings 7 einen rotationssymmetrischen Querschnitt
aufweist.
6/9

DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
Anhängende Zeichnungen
7/9

DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
8/9

DE 10 2007 000 950 A1 2009.04.09
9/9