AT514503B1 - Zahnstange kalt umgeformt mit Gewindenut - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkungszahnstange mit Kugelgewindespindel, insbesondere für Zahnstangenlenkgetriebe von Kraftfahrzeugen, folgende Schritte aufweisend: - Bearbeiten eines Rohres - Einlegen des Rohres in ein Umformwerkzeug, - Lagerichtiges Fixieren des Rohres im Umformwerkzeug, - Ausbilden einer Verzahnung und Vorformen eines Gewindes durch Kaltumformung, wobei die Kaltumformung durch Fließpressen erfolgt, - Fertigbearbeiten des Gewindes, - Durchhärten des Rohres durch Erwärmen und schnelles Abkühlen, - Oberflächenhärten des Rohrs, - Bearbeiten und Fertigstellen von Spurstangenanbindungen.

Description

Beschreibung

ZAHNSTANGE KALT UMGEFORMT MIT GEWINDENUT

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange mit Kugelgewindespindel, insbesondere für Zahnstangenlenkgetriebe von Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Lenkgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.

[0002] Typischerweise werden Lenkungszahnstangen für Zahnstangenlenkgetriebe aus rundem, massivem Stangenmaterial hergestellt, wobei der gezahnte Bereich durch Räumen gefertigt wird. Um das Gewicht der Zahnstange zu minimieren wird der Schaft über den größten Teil seiner Länge mit einer Tieflochbohrung versehen, was zu einem im Wesentlichen rohrförmigen Schaft führt. Die neusten Ansätze aus den letzten Jahren sehen hingegen vor, die Lenkungszahnstange aus rundem, rohrförmigem Material herzustellen, wobei der gezahnte Bereich geschmiedet wird. Dazu wird vor dem Schmieden an der Stelle des gezahnten Bereichs die Wandstärke des Rohrs verdickt. Das Schmieden erfolgt in einer Gesenkschmiedevorrichtung zum gratfreien Warmschmieden des gezahnten Bereichs, wobei ein oder mehrere Dorne in das Rohr eingeführt werden um das Rohr gegen das Zusammendrücken abzustützen. Durch das gratfreie Schmieden sind keine weiteren Verarbeitungsschritte erforderlich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Zahnstangenzähne so geformt werden können, dass sie ein veränderliches Übersetzungsverhältnis haben. Der Querschnitt des gezahnten Bereichs einer Zahnstange, die von einem derartigen Gesenk geschmiedet wurde, hat eine "Y"- Form, die eine große Biegefestigkeit aufweist.

[0003] Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es relativ aufwändig ist, das Rohr in der ersten Verformungsoperation zu verdicken.

[0004] DE 196 45 410 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Spurstange, bei dem eine Muffennut der Spurstange durch Walzen ausgeformt wird.

[0005] Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der US 8,156,781 B2 bekannt, bei der in einen rohrförmigen Rohling eine massive Stange eingeführt wird, die im Durchmesser deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohlings.

[0006] Durch Kaltpressen kann so eine Verzahnung mit hoher Genauigkeit auf den Rohling aufgebracht werden, indem das Material des Rohlings den Spalt zwischen einer Pressform und der massiven Stange ausfüllt. Das Material des Rohlings muss für das Kaltpressen geeignet sein, weshalb eine relativ weiche Stahlsorte eingesetzt werden muss.

[0007] JP S63-215322 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkungszahnstange, bei dem die Verzahnung durch Pressen ausgebildet wird. Dazu wird in ein Rohr ein Rohrelement eingebracht, das wiederrum von einem Dorn durchsetzt ist. Durch Schließen des Umformwerkzeugs wird die Verzahnung gebildet, wobei sich das Rohr mit dem Rohrelement verbindet.

[0008] Der Außendurchmesser der Verzahnung ist kleiner als der Außendurchmesser des unbehandelten Rohrs. Nach der Ausbildung der Verzahnung wird der Dorn entnommen.

[0009] Es ist wünschenswert, durch einen Härtungsprozess die Verzahnung so weiterzubearbeiten, dass sie den hohen Belastungen im Betrieb Stand hält. Eine Härtung des Werkstücks ist in diesen Dokumenten nicht beschrieben.

[0010] Aus der WO 2013/030017 A1 ist eine Vorrichtung zum Härten der Verzahnung an Zahnstangen bekannt, die in der Lage ist, eine gleichmäßige Härtung über die gesamte Oberfläche der Verzahnung zu bewirken, so dass keine unvorteilhaften Folgen für eine Gefügestruktur der Zahnstange entstehen. Die Vorrichtung weist dabei eine Induktionsspule auf, die so geformt ist, dass durch die Induktionsspule ein elektrischer Strom induziert wird, der sowohl orthogonal als auch parallel zu den Verzahnungen gerichtet ist. Die Zahnstange und die Induktionsspule wer- den hierbei relativ zueinander bewegt.

[0011] Insbesondere zur Minimierung des Verschleißes an derartigen Bauelementen ist eine Randschichthärtung der Oberfläche der Bauelemente vorteilhaft. Dazu eignet sich vorzugsweise das Induktionshärten. Die Oberflächen werden hierzu durch Induktion lokal auf eine erforderliche Härtetemperatur gebracht und anschließend abgeschreckt. So entsteht in den erfassten Bereichen oberflächennah ein harter, verschleißfester Stahl. Im Kernbereich werden die Zähne nicht gehärtet und es liegt kein nachteiliges sprödes Gefüge vor sondern ein duktiler bzw. zäher Werkstoff. Dadurch ist der Zahn gegenüber der Bildung und Ausweitung von Rissen unempfindlicher und der zähe Kernbereich ist in der Lage, Verformungen an den Zähnen aufzunehmen und damit die Stabilität gegenüber Rissen weiter zu erhöhen. Da die Zahnstange nicht durchgehärtet ist, ist jedoch auch die mechanische Belastbarkeit aufgrund des für das Kaltpressen erforderlichen relativ weichen Ausgangsmaterials nicht für alle Anforderungen an eine Lenkungszahnstange ausreichend.

[0012] Neben der Ausformung der Verzahnung stellt bei Lenkungszahnstangen mit Kugelgewindespindel die Ausformung des Gewindes des Kugelgewindetriebes einen wesentlichen Aspekt bei der Herstellung der Zahnstange dar.

[0013] Kugelgewindetriebe werden in elektromechanischen Servolenkungen eingesetzt, bei denen die Lenkbewegung des Fahrers von einem programmgesteuerten Elektromotor an der Mechanik der Lenkung unterstützt und überlagert wird. Dabei überführen Kugelgewindetriebe die Drehbewegung des elektromotorischen Antriebs in eine translatorische Bewegung der Zahnstange. Ein Kugelgewindetrieb weist eine Kugelgewindemutter, eine Kugelgewindespindel sowie zwischen diesen aufgenommene Kugeln auf. Die Kugelgewindemutter ist an ihrem Innenumfang mit einer gewindeförmigen Kugellaufbahn versehen, welche über die Kugeln mit einer gewindeförmigen Kugellaufbahn der Kugelgewindespindel kämmt, die an der Zahnstange ausgebildet ist. Bei einer Rotation der Kugelgewindemutter durch den elektromotorischen Antrieb wird folglich die Zahnstange axial verschoben.

[0014] Die EP 1 316 492 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange mit Kugelgewindespindel, bei dem die Zahnstange aus zwei separat hergestellten Abschnitten, die zusammengefügt werden, besteht. Die beiden Abschnitte sind dabei so aufgeteilt, dass der Eine die Verzahnung und der Andere die Kugelgewindespindel aufweist, was den Vorteil bringt, dass die beiden Abschnitte unabhängig voneinander gefertigt werden können. Die Verzahnung wird durch Kaltumformung mit einem Dorn ausgeformt und das Gewinde der Kugelgewindespindel wird unabhängig davon hergestellt. Danach werden beide Abschnitte durch bekannte Verfahren, wie zum Beispiel Reibschweißen oder Lichtbogenschweißen, miteinander verbunden.

[0015] Durch die separate Herstellung der beiden Abschnitte ist das Verfahren aufwendig und zeitintensiv.

[0016] Die Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das zum Kaltumformen und Härten von Lenkungszahnstangen mit Kugelgewindespindel, insbesondere für Zahnstangenlenkgetriebe von Kraftfahrzeuge, geeignet ist, wobei mit dem Verfahren unter Verwendung einfach und kostengünstig aufgebauter Werkzeuge gehärtete Lenkungsstangen mit gleichmäßiger Härteverteilung über die Oberfläche der Verzahnung und des Gewindes der Kugelgewindespindel hergestellt werden können.

[0017] Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.

[0018] Danach ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkungszahnstange mit Kugelgewindespindel, insbesondere für Zahnstangenlenkgetriebe von Kraftfahrzeugen, vorgesehen, das folgende Schritte aufweist: [0019] - Bearbeiten eines Rohres [0020] - Einlegen des Rohres in ein Umformwerkzeug, [0021] - Lagerichtiges Fixieren des Rohres in dem Umformwerkzeug, wobei daraufhin folgende

Schritte folgen: [0022] Ausbilden einer Verzahnung und Vorformen eines Gewindes durch Kaltumformung, wobei die Kaltumformung durch Fließpressen erfolgt, [0023] - Fertigbearbeiten des Gewindes, [0024] - Durchhärten des Rohres durch Erwärmen und schnelles Abkühlen, [0025] - Oberflächenhärten des Rohrs, [0026] - Bearbeiten und Fertigstellen von Spurstangenanbindungen.

[0027] Das Ausbilden der Verzahnung und das Vorformen des Gewindes der Kugellaufbahn der Kugelgewindespindel erfolgt in einem Prozessschritt, wodurch die Fertigung der Zahnstange zeitlich und kostentechnisch optimiert wird. Die durch Kaltumformung bzw. Fließpressen hergestellte Verzahnung weist eine hohe Maß- und Formgenauigkeit und eine gute Oberflächengüte auf. Dadurch können die Bearbeitungsaufmaße sehr gering gehalten werden. Das Gewinde hingegen wird in diesem Schritt erst vorgeformt und muss später noch fertigbearbeitet werden.

[0028] In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Durchhärten im Umformwerkzeug. Die Formgebung des Umformwerkzeugs ist somit auch während des Durchhärtens gegeben, so dass nach dem Durchhärten das Rohr verzugsfrei entnommen werden kann.

[0029] Das Oberflächenhärten wird vorzugsweise durch Erwärmen und schnelles Abkühlen durchgeführt.

[0030] Besonders vorteilhaft ist dabei das Oberflächenhärten im Bereich der Verzahnung und/oder im Bereich des Gewindes vorzunehmen, da hier die Zahnstange im Betrieb hohen Belastungen standhalten muss.

[0031] Das Erwärmen des Rohrs erfolgt bei dem Durchhärten und/oder Oberflächenhärten bevorzugt durch induktives Erwärmen.

[0032] Bei dem induktiven Oberflächenhärten ist es bevorzugt vorgesehen, dass der induzierte Strom sowohl orthogonal als auch parallel zu den Verzahnungen gerichtet ist, um eine gleichmäßige Härte der Oberfläche zu erreichen.

[0033] Das Abkühlen beim Durchhärten und/oder Oberflächenhärten erfolgt vorteilhafterweise durch Einspeisen von Kühlflüssigkeit in Kühlkanäle im Werkzeug des Umformwerkzeugs und/oder durch unmittelbaren Kontakt mit Kühlflüssigkeit.

[0034] Dabei sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Kühlkanäle parallel zur Verzahnungskopflinie angeordnet, so dass die Verzahnung gleichmäßig abkühlt.

[0035] Des Weiteren kann das Oberflächenhärten durch Nitrierhärten erfolgen.

[0036] In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Oberflächenhärten des Rohrs außerhalb des Umformwerkzeugs durch Nitrierhärten oder induktivem Härten erfolgt.

[0037] Vor dem Schritt der Kaltumformung wird das Rohr bearbeitet, dabei umfasst dieser Schritt bevorzugt wenigstens eine Verjüngung und/oder wenigstens eine weitere Umformung des Rohrs. Je nach Bedarf wird das Rohr durch diesen Fertigungsschritt im Bereich der Verzahnung und/oder im Bereich des Gewindes vorgeformt.

[0038] Im Bereich der Verzahnung wird dabei vorzugsweise das Rohr im Querschnitt so verändert, dass die Breite der Verzahnung vollflächig ausgeformt ist und die Innenseite und Außenseite des Rohrs annähernd plan sind.

[0039] Die durch Kaltumformung hergestellten Gewindegänge des Gewindes weisen Unebenheiten auf, wie zum Beispiel einen Grat, weshalb die Gewindegänge nach dem Umformen und je nach Bedarf vor oder nach dem Härten nachbearbeitet werden müssen. Deshalb erfolgt das

Fertigbearbeiten des Gewindes der Kugellaufbahn vorteilhafterweise durch mindestens ein Verfahren aus der Gruppe, die Walzen, Schleifen, Polieren und Fräsen umfasst und/oder durch Wirbeln und/oder durch Rollieren.

[0040] Weiterhin ist ein Lenkgetriebe mit einer Zahnstange vorgesehen, welche nach einem Verfahren mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen hergestellt ist.

[0041] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Verfah-rungsbeschreibung und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: [0042] Fig. 1: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zahnstange mit Verzahnung und

Gewindespindel, [0043] Fig. 2: drei Querschnitte eines Rohrs im Verzahnungsbereich einer erfindungsgemä ßen Zahnstange in verschiedenen Bearbeitungsstufen, sowie [0044] Fig. 3: den Querschnitt der Fig. 2 c) in Detailansicht.

[0045] Als Rohmaterial wird ein Rohr mit einer Oberflächengüte Ra < = 4 und einer Wandstärke von 4 mm verwendet. Das Rohr wird in einer Umformanlage in einem Umformwerkzeug kaltum-geformt. Bei der Kaltumformung wird die plastische Umformung des Metalls bei einer Temperatur und Geschwindigkeit, die zu einer Kaltverfestigung führt durchgeführt. Von Kaltumformen spricht man, wenn der Formänderungsprozess unterhalb der Rekristallationstemperatur erfolgt und der Werkstoff sich verfestigt. Die Arbeitstemperatur beim Kaltumformen liegt bei Raumtemperatur. Es erfolgt eine eigene Erwärmung des Rohrs auf bis zu 150 °C durch die Umformenergie.

[0046] Zum Kaltumformen eignen sich neben verschiedenen Nichteisenmetallen vornehmlich unlegierte und niedrig legierte Stähle, wobei der Kohlenstoffgehalt unter 0,5% und der Gehalt der weiteren Legierungsbestandteile unter 5% liegen sollten.

[0047] In einem ersten Schritt der Umformung wird das Rohr im Verzahnungsbereich und im Gewindebereich im Durchmesser verjüngt, zum Beispiel durch Walzen oder Pressen. Im nächsten Schritt erfolgt die Ausbildung der Verzahnung und eine Vorformoperation des Gewindes der Kugelgewindespindel durch Kaltumformung des Rohrs in einer Presse, die als hydraulische oder mechanische Presse ausgebildet ist und abhängig von den zu pressenden Stückzahlen manuell oder voll automatisiert betrieben wird. Die Presse weist einen Stempel und eine Matrize auf, wobei das Rohr durch den Stempel in die Matrize gedrückt wird. Die Matrize besteht aus einer zweiteiligen Hohlform. Die Hohlformen weisen eine Gravur auf, wobei sich die genaue Form der Gravur aus der Negativform der Zahnstange und dem Materialfluss ergibt. Die Hohlformen setzen sich horizontal anliegend zusammen und das Rohr wird parallel dazu aufgenommen. Im Fertigungsprozess umschließt dabei jeweils eine Hohlform eine Hälfte des Rohres. Die Gravur der unteren Hohlform ist im Wesentlichen halbzylinderförmig und entspricht mit etwas Aufmaß dem Radius des Rohrs. Die Gravur der oberen Hohlform ist ebenfalls im Wesentlichen halbzylinderförmig mit den gleichen Abmaßen wie die untere Hohlform, wobei ein erster Bereich vorgesehen ist, der die Negativform der Verzahnung der Zahnstange mit verjüngtem Durchmesser aufweist. Zudem ist ein zweiter Bereich vorgesehen, in dem die Gravur der unteren und oberen Hohlform die Negativform des Gewindes aufweist.

[0048] Als Matrizeneinsätze wird ein sehr harter Werkstoff verwendet, da beim Pressen hohe Kontaktspannungen zwischen Werkzeug und Werkstück entstehen, die zu einem frühzeitigen Verschleiß oder sogar zu einem Bruch der Werkzeuge führen können. Vor der Kaltumformung wird auf das Rohr eine Träger- und Trockenschmierstoffschicht aufgebracht, die eine Kaltverschweißung zwischen Werkzeug und Rohr verhindert. Als Trenn- und Trägerschicht wird eine Zink-Phosphat-Schicht aufgebracht. Als druckbeständige feste Gleitmittel werden Graphit, Molybdändisulfid, spezielle Seifen oder Wachse eingesetzt.

[0049] Die Verzahnung und das Gewinde werden dann durch Durchdrücken, bzw. Fließpressen, ausgebildet. Bei diesem Verfahren wird das Rohrmaterial unter Einwirkung eines hohen Druckes zum Fließen gebracht. Dabei drückt der Stempel, der im Durchmesser kleiner als das

Rohr, aber größer als die Verjüngung des Rohrs ist und zentrisch parallel ins Rohr eingeführt wird, das Rohr radial in die negative Ausformung der Matrize. Dabei können zwei Stempel vorgesehen sein, die von jeweils einer Seite in das Rohr eingeführt werden. Im Bereich der Verjüngungen des Rohrs wird das Rohrmaterial quer zur Wirkrichtung der Presse in die Negativform der Verzahnung und in die Negativform des Gewindes der Hohlform gepresst. Zur besseren Ausformung kann der Stempel Erhebungen aufweisen.

[0050] Die durch Kaltumformung hergestellte Verzahnung weist eine hohe Maß- und Formgenauigkeit und eine gute Oberflächengüte auf. Dadurch können die Bearbeitungsaufmaße sehr gering gehalten werden. Die durch Kaltumformung hergestellten Gewindegänge des Gewindes müssen hingegen nachbearbeitet werden, da es zum Beispiel zur Gratbildung an der Hohlformfalte kommt. Zur Ausformung des Gewindes eignet sich u.a. Gewinderollen, Gewindefräsen, Schleifen und Polieren.

[0051] Nach dem Fertigstellen des Gewindes wird in einem weiteren Schritt, das Rohr durchgehärtet. Dazu wird das Rohr erwärmt und durch schnelles Abkühlen gehärtet. In einem Ausführungsbeispiel kann die Erwärmung innerhalb des Umformwerkzeugs erfolgen. Das Erwärmen im Umformwerkzeug hat den Vorteil, dass ein möglicher Verzug des Rohrs durch die Formgebung des Umformwerkzeugs verhindert wird. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Erwärmung induktiv erfolgt.

[0052] Anschließend an den Härteprozess wird das Rohr vorzugsweise im Bereich der Verzahnung und des Gewindes oberflächengehärtet.

[0053] In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Oberflächenhärtung durch induktives Erwärmen und schnelles Abkühlen.

[0054] Für das induktive Erwärmen ist eine Vorrichtung vorgesehen, aufweisend eine Induktionsspule, durch die unter hohem Druck Kühlwasser läuft und einen Impulsgenerator. Der Impulsgenerator versorgt die Induktionsspule mit einer aus der Netzfrequenz umgewandelten Nieder- Mittel- bzw. Hochfrequenz- Leistung. Der Impulsgenerator ermöglicht den Betrieb der Induktionsspule mit verschiedenen Frequenzen, wodurch ein magnetisches Wechselfeld aufgebaut wird. Das Rohr bildet eine kurzgeschlossene Spule. Wenn durch die Induktionsspule ein Wechselstrom fließt, wird in dem Rohr eine Spannung induziert, welche im Rohr induzierte Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Materials des Rohrs.

[0055] Das umgeformte Rohr wird mit der vorhergehend beschriebenen Vorrichtung entsprechend den Härtevorgaben lokal im Bereich der Verzahnung und des Gewindes induktiv erwärmt. Die Erwärmung kann dabei innerhalb oder außerhalb des Umformwerkzeugs erfolgen. Bei der Erwärmung im Umformwerkzeug werden die Hohlformen nach dem Umformen teilweise auseinander gefahren, so dass die Vorrichtung im Bereich der Verzahnung und des Gewindes angeordnet werden kann. Zur Erwärmung wird die Vorrichtung kurzzeitig mit Strom einer bestimmten Frequenz betrieben. Die Härtetiefe nimmt dabei mit zunehmender Betriebsfrequenz aufgrund des sogenannten Skin-Effektes ab. In Abhängigkeit von einer oder mehrerer Frequenzen lässt sich so der Härtegradient im Rohr entsprechend der gewünschten Vorgaben anpassen. Beim Erwärmen wechselt die Struktur des Eisengitters und die Kohlenstoffatome diffundieren ins Metallgitter. Durch schnelles Abkühlen klappt das Metall Gitter wieder zurück ohne dass die Kohlenstoffatome ihre Position wechseln können. Die Kohlenstoffatome werden im Metallgitter festgehalten. Die dadurch erzielte Verzerrung des Raumgitters des Metalls macht sich mikroskopisch als Härtesteigerung des Materials bemerkbar.

[0056] Wenn der Härteprozess und/oder der Oberflächenhärteprozess im Umformwerkzeug stattfindet, kann ein Kühlsystem im Umformwerkzeug zum schnellen Abkühlen während des Härtevorgangs vorgesehen sein. Dabei erfolgt das schnelle Abkühlen des gehärteten Rohrs im Umformwerkzeug durch Flüssigkeitskanäle in der Werkzeugform und/oder durch unmittelbaren Kontakt des gehärteten Rohrs mit einem Kühlmittel. Dazu wird das Umformwerkzeug von einer Kühlmittelwanne mit Kühlmittel umgeben, wobei das Umformwerkzeug oberhalb des Kühlmittelspiegels angeordnet ist. Nach dem Erwärmen wird die Kühlmittelwanne mit Kühlmittel aufgefüllt, so dass das Kühlmittel durch den Spalt zwischen den Hohlformen und dem gehärteten Rohr in das Umformwerkzeug einströmt und der Kühlmittelspiegel so weit angehoben wird, dass das Kühlmittel das erwärmte Rohr komplett umgibt.

[0057] Nach dem Abkühlen wird der Kühlmittelspiegel wieder abgesenkt.

[0058] Voraussetzung für das Induktivhärten ist ein Stahl mit mehr als 0,35 Gewichtsprozent Kohlenstoff. Das Verfahren kommt sehr häufig in der Massenfertigung zur Anwendung weil es sich bei hohen Durchsatz und sehr guter Steuerungsmöglichkeit zuverlässig in automatisierte Abläufe einbinden lässt.

[0059] Nach dem Oberflächenhärteprozess wird das bearbeitete Rohr verzugsfrei aus dem Umformwerkzeug entnommen. Im letzten Schritt der Fertigung der Zahnstange werden die Spurstangenanbindungen durch plandrehen und Gewindeschneiden fertiggestellt.

[0060] In einem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Oberflächenhärtung durch Nitrierhärten. Nitrierhärten ist ein thermochemisches Verfahren zur Oberflächenhärtung, welches auf der Bildung äußerst harter Stickstoffverbindungen in der Randschicht des Rohrs beruht. In dem Nitrierprozess wird die Rohroberfläche im Bereich der Verzahnung und des Gewindes mit Stickstoff angereichert, wobei der Stickstoffspender vorzugsweise Ammoniak ist. Das Rohr wird bei einer Temperatur von ca. 500 °C behandelt, wobei das Ammoniak teilweise aufspaltet und atomarer Stickstoff entsteht, der in die Randzone des Rohrs eindiffundiert und mit den vorhandenen Legierungselementen, Verbindungen eingeht. Diese Stickstoffverbindungen bzw. Nitridausscheidungen bewirken eine beträchtliche Härtesteigerung. Nach dem Nitrierprozess wird das Rohr langsam abgekühlt. Ein Abschrecken ist nicht erforderlich. Aufgrund der relativ niedrigen Behandlungstemperatur, und durch das abschreckungsfreie Abkühlen, zeichnet sich das Verfahren durch seine sehr geringen Maßverzüge aus. Weitere Details des Nitrierhärtens sind dem Fachmann bekannt.

[0061] Figur 1 zeigt das Endprodukt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Zahnstange 1 mit Kugelgewindespindel 2. In der Seitenansicht der Zahnstange 1 wird eine erste Verjüngung 3 mit der Verzahnung 4 und eine zweite Verjüngung 5 mit Gewinde 6 des Rohrs 7 gezeigt. Durch die erste Verjüngung 3 des Rohrs 7 im Verzahnungsbereich und die zweite Verjüngung 5 des Rohrs 7 im Kugelgewindespindelbereich kommt es jeweils zu einem Materialüberschuss, der für die vollständige Ausbildung der Verzahnung 3 und der Gewindegänge 8 sorgt. Des Weiteren ist in Figur 1 eine auf der Kugelgewindespindel 2 angeordnete Kugelgewindemutter 9 gezeigt.

[0062] Bevorzugt werden neben der ersten Verjüngung 3 des Durchmessers im Verzahnungsbereich, auch die späteren Seitenflächen 10, 11 der Zahnstange 1 im Durchmesser durch z.B. Walzen oder Pressen reduziert (Figur 2 a, b). Derart hergestellte Zahnstangen 1 haben den Nachteil, das die Verzahnung in ihrer Breite B nicht vollflächig ausgeformt ist, da die Verzahnung durch die Formgebung des Rohrs über die Breite B zu den Enden hin abfällt. Ein weiteres Merkmal ist die konkave Kontur des Zahnfußes 12 im Querschnitt. Dieses Problem kann durch eine weitere Umformung, wie in Figur 2 c und 3 dargestellt ist, verhindert werden. Diese Umformung kann zum Beispiel durch Fließpressen vor oder nach der Verjüngung erfolgen. Dabei wird Material des Rohrs von der Innenseite nach Außen gedrückt, so dass der dadurch gewonnene Materialüberschuss für die Ausformung der Verzahnung sorgt. Vorzugsweise ist der Bereich der Verzahnung B nach der Umformung plan ausgeformt, so dass die äußere Wölbung X des Rohrs im Verzahnungsbereich 0 mm und B so groß wie möglich ist.

[0063] Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, eine Lenkungszahnstange mit Kugelgewindespindel unter Verwendung einfach und kostengünstig aufgebauter Formwerkzeuge herzustellen, wobei die Verzahnungsbreite, die Verzahnungstiefe und die Qualität der Verzahnung, sowie die Qualität des Gewindes der Kugelgewindespindel den hohen Anforderungen in Zahnstangenlenkgetrieben von Kraftfahrzeugen entsprechen.

Claims (17)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Herstellung einer Lenkungszahnstange mit Kugelgewindespindel, insbesondere für Zahnstangenlenkgetriebe von Kraftfahrzeugen, folgende Schritte aufweisend: - Bearbeiten eines Rohres - Einlegen des Rohres in ein Umformwerkzeug, - Lagerichtiges Fixieren des Rohres im Umformwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass daraufhin folgende Schritte folgen: - Ausbilden einer Verzahnung und Vorformen eines Gewindes durch Kaltumformung, wobei die Kaltumformung durch Fließpressen erfolgt, - Fertigbearbeiten des Gewindes, - Durchhärten des Rohres durch Erwärmen und schnelles Abkühlen, - Oberflächenhärten des Rohrs, - Bearbeiten und Fertigstellen von Spurstangenanbindungen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchhärten in dem Umformwerkzeug erfolgt.
3. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenhärten durch Erwärmen und schnelles Abkühlen erfolgt.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenhärten im Bereich der Verzahnung und/oder im Bereich des Gewindes erfolgt.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Rohrs bei dem Durchhärten und/oder Oberflächenhärten durch induktives Erwärmen erfolgt.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenhärten des Rohrs außerhalb des Umformwerkzeugs erfolgt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bei dem induktiven Oberflächenhärten induzierte Strom sowohl orthogonal als auch parallel zu den Verzahnungen gerichtet ist.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen beim Durchhärten und/oder Oberflächenhärten durch Einspeisen von Kühlflüssigkeit in Kühlkanäle im Werkzeug des Umformwerkzeugs und/oder durch unmittelbaren Kontakt mit Kühlflüssigkeit erfolgt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle parallel zur Verzahnungskopflinie verlaufen.
10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenhärten durch Nitrierhärten erfolgt.
11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten des Rohrs vor dem Schritt der Kaltumformung wenigstens eine Verjüngung des Rohrs umfasst.
12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten des Rohrs vor dem Schritt der Kaltumformung wenigstens eine weitere Umformung umfasst.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten des Rohrs vor dem Schritt der Kaltumformung den Verzahnungsbereich des Rohrs im Querschnitt so verändert, dass die Breite der Verzahnung vollflächig ausgeformt ist und die Innenseite und Außenseite des Rohrs annähernd plan sind.
14. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fertigbearbeiten des Gewindes der Kugellaufbahn erfolgt durch mindestens ein Verfahren aus der Gruppe, die Walzen, Schleifen, Polieren und Fräsen umfasst.
15. 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fertigbearbeiten des Gewindes der Kugellaufbahn durch Wirbeln erfolgt.
16. 16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fertigbearbeiten des Gewindes der Kugellaufbahn durch Rollieren erfolgt.
17. 17. Lenkgetriebe mit einer Zahnstange aufweisend eine Kugelgewindespindel, wobei die Zahnstange nach einem Verfahren mit den Merkmalen eines der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16 hergestellt ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen