Zahnstange und Verfahren zur Herstellung

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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.

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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-

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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.

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[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

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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]

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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.

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Anhängende Zeichnungen

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