DE10033305C2 - Verfahren zur Herstellung von Zahnstangenlenkgehäusen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnstangenlenkgehäuses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zahnstangenlenkungen werden innerhalb des Fahrwerkes eines Kraftfahrzeuges eingesetzt, um die über das Lenkrad aufgebrachte drehende Lenkbewegung in eine geradlinige Bewegung zum Verschwenken der zu lenkenden Fahrzeugräder umzuwandeln. Zur Lenkkraftunterstützung kommt hierbei ein Servoantrieb zum Einsatz, der an verschiedenen geeigneten Stellen innerhalb des Lenkkraftflusses angeordnet werden kann.

Eine Zahnstangenlenkung der hier interessierenden Art geht aus dem Prospekt "Die elektrische Servolenkung" (Firma ZF Friedrichshafen AG, Druck-Nr. G 7802 P-MBA 2/98d) hervor. Die Zahnstangenlenkung besitzt ein rohrartiges Zahnstangenlenkgehäuse, das eine innenliegende Zahnstange schützend umgibt. Am Zahnstangenlenkgehäuse ist ein Ritzeleingriffsbereich vorgesehen, über den eine Ritzeleinheit die am Lenkrad erzeugte Drehbewegung in die Zannstangenlenkung einleitet. Ein Ritzel der Ritzeleinheit greift zur Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung in die Verzahnung der innenliegenden Zahnstange ein. Die hierdurch erzeugbare Hin- und Herbewegung der Zahnstange ist über endseitig aus dem Zahnstangenlenkgehäuse abgedichtet geführte Lenkstangen abgreifbar, die wiederum zum Lenken an je einem Rad angelenkt sind. Je nach Fahrzeugklasse kann ein die Lenkbewegung unterstützender elektrischer Servoantrieb entweder in die Lenksäule integriert sein, oder am Ritzel angeordnet sein oder auch auf die Zahnstange einwirken. Letzterenfalls ist das Zahnstangenlenkgehäuse an einem Endbereich entsprechend modifiziert.

Das bekannte Zahnstangenlenkgehäuse besteht aus Aluminium und ist im Druckgussverfahren hergestellt. Nach dem Gießen ist eine spanende Bearbeitung erforderlich, um Anbauteile - wie beispielsweise die Ritzeleinheit - am Zahnstangengelenkgehäuse montieren zu können. Die spanende Bearbeitung erstreckt sich auf das Fräsen von Anlageflächen für die zu montierenden Teile sowie Anfertigen von Grund- und Durchgangsbohrungen zur Befestigung, die teilweise durch Gewindeschneiden weiterbearbeitet sind.

DE 42 01 730 A1 beschreibt ein Gehäuse für eine hydraulische Servolenkung. Als Ausgangsmaterial zu dessen Herstellung wird ein Stahlrohr vorgeschlagen. Die notwendigen Ausbeulungen an diesem Rohr werden durch ein Innenhochdruckverfahren hergestellt. Dabei wird auch ein Hydraulikbereich mit zwei Anschlußstutzen ausgebildet. Die Ausbeulungen werden aufgebohrt und wenn notwendig mit einem Innengewinde versehen. In einem Ritzelbereich sind mehrere Ausdrückungen vorgesehen, um unter anderem eine Lenkwelle aufzunehmen, die fest mit einem Lenkrad verbunden ist. Ziel ist es, die Konstruktion und Produktion des Gehäuses für die hydraulische Servolenkung zu vereinfachen.

In DE 197 51 408 A1 wird ein Integralgehäuse für Hydrolenkung beschrieben. Es besteht aus einem Gehäuseabschnitt zur Aufnahme eines ein Ritzel und ein Zahnstangenteil aufweisenden Lenkgetriebes. Ein weiterer, daran anschließender Gehäuseabschnitt dient der Anordnung einer hydraulischen Lenkunterstützung. Als Ausgangsprodukt wird ein durch Innenhochdruck kalt umformbares Hohlprofil verwendet. Nach Aufbringen des Innenhochdrucks wird mindestens ein Bereich einem kombinierten Innenhochdruck-Stülpziehverfahren unterworfen, wobei Material axial gesteuert nachgeführt wird. Nach dem Herausnehmen des umgeformten Erzeugnisses aus einem Gesenk erfolgen weitere kleine Umformungen wie z. B. die Anformung einer Sicke und abschließend eine mechanische Endbearbeitung, was aber nicht näher beschrieben wird. Ziel ist es, das Integralgehäuse für Hydrolenkungen mit einem niedrigeren Gewicht und weniger Bauteilen sowie in kürzerer Fertigungszeit herstellen zu können.

In DE 42 37 485 A1 ist eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge offenbart. Ein dafür vorgesehenes Lenkgehäuse weist Anschlußteile auf, die mit dem zylindrischen Grundkörper einstückig ausgebildet sind. Die Anschlußteile sind mit je einem von dem Zylinder nach außen vorragenden, ringförmigen Kragen gestaltet, der umformtechnisch aus der Wand des Zylinders herausgearbeitet wird. Dazu wird für die beiden Kragen ein Hochdruck- Umformverfahren von innen nach außen aus dem Zylinder vorgeschlagen. Dabei wird ein Druckmedium im Inneren des Zylinders unter Hochdruck gesetzt, der nur im Bereich des auszuformenden Kragens wirksam werden kann. Dadurch soll im Bereich der Anschlußteile des Zylinders eine kostengünstigere Ausbildung hinsichtlich der Teilekosten, der Fertigungskosten und der Montagekosten erreicht werden.

JP 11 042 514 A (Abstract) betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Lager. In diesem Zusammenhang wird das Einpassen von Buchsen in eine Bohrung beschrieben. Ziel ist es, unabhängig von der Genauigkeit der Gehäuseabmessungen mehrere Lagerhaupteinheiten koaxial hochgenau angeordnet zu erhalten.

In JP 11 222 146 A (Abstract) sind auf einer Lenkstange ein Haltering und eine diesen umgebende Hülse dargestellt. Damit soll das Problem gelöst werden, für die Lenkstange eine einfache Stützstruktur zu schaffen, welche eine stabile Stützung der Lenkstange auf dem Gehäuse und dessen Bewegungsführung gewährleisten kann. Ferner wird eine Geräuschverminderung angestrebt.

Gemäß JP 10 035 524 A (Abstract) ist ein Lenkzylinder mit radialen einstückigen Vorsprüngen versehen, welche als Ein-/Ausgänge durch Ausbauchen des Zylinder-Grundkörpers gebildet sind. Die vorspringenden Ein-/Ausgänge sind von zentrischen Bohrungen für Öl durchsetzt. In den Randbereichen sind Schrauben vorgesehen. Dadurch wird eine Arbeitsvereinfachung, eine Erhöhung der Wirksamkeit und eine Reduzierung der Bauteile angestrebt. Ferner sollen Öllecke zwischen dem Zylinder-Grundkörper und den Ein-/Ausgangsvorsprüngen verhindert werden. Genauere Details zur Herstellungsweise sind nicht angegeben.

In DE 41 21 105 A1 wird ein Verfahren zum Verbinden von Elementen eines Gelenkes mit festgelegtem Betriebsspiel durch Herstellung von aufgepreßten Verbindungen beschrieben. Dadurch soll die Montage der Elemente von Gelenken für Raupenketten gefördert werden, wobei ein bestimmtes Betriebsspiel bei der Verbindung der Elemente eines Gelenks durch aufgepreßte Verbindungen hergestellt werden soll.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnstangenlenkgehäuses zu schaffen, durch das eine einfachere Herstellung unter Verkürzung der Herstellungszeit und Verringerung von zur Herstellung erforderlichen Prozessschritten möglich wird.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch den Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zunächst mittels Innenhochdruckumformen (IHV) ein rohrartiges Ausgangsmaterial aus Stahl innerhalb eines Umformgesenks zur vollständigen Konturausbildung des Zahnstangenlenkgehäuses einem Innendruck ausgesetzt wird. Unmittelbar anschließend erfolgt ein aufweitendes Einpressen von Kolbenstangenführungselementen in beide Endbereiche des Zahnstangenlenkgehäuses. Weiter findet ein Umformen oder eine spanende Bear­ beitung der aufgeweiteten Endbereiche des Zahn­ stangengehäuses zu Faltenbalgsitzen statt. Danach wird zur Fertigstellung des Ritzeleingriffsbereiches an dem Zahnstangenlenkgehäuse eine Passdurchgangsbohrung angefertigt. Schließlich erfolgt koaxial zur Passdurchgangsbohrung ein Anschweißen eines unteren Lagerträgers sowie einer oberen Anbauebene für die Ritzeleinheit.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, das Zahnstangenlenkgehäuse innerhalb weniger Prozessschritte zu fertigen, wobei sich eine spanende Bearbeitung lediglich auf das Anfertigen der Passdurchgangsbohrung oder der Faltenbelgsitze beschränkt. Zum Verbinden von Anbauteilen wird weitestgehend anstelle von herkömmlichen Schraubbefestigungen das Verfahren des Schweißens angewandt, das hier durch die Verwendung von Stahl als Ausgangsmaterial möglich ist. Zur Führung der Lenkstangen im Austrittsbereich zu beiden Enden des Zahnstangenlenkgehäuses sind separate Einpressbuchsen vorgesehen, die in einem einzigen Verfahrensschritt beim Einpressen zugleich die beiden Endbereiche des Zahnstangenlenkgehäuses aufweiten, und damit einen festen Sitz für hier anzubringende Faltenbälge als Schmutzschutz bilden.

Erfindungsgemäß werden die aufgeweiteten Enden des Zahnstangenlenkgehäuses durch einen weiteren Umformschritt oder durch Spanen zu bearbeiten, um dis Verbindung mit den aufgeschobenen Faltenbälgen zusätzlich zu sichern.

Vorzugsweise erfolgt das Anschweißen des Lagerträgers sowie der Anbauebene durch das Verfahren des Laserschweißens. Hierdurch kann ein Wärmeverzug zwischen dem Lagerträger und dem Zahnstangenlenkgehäuse und/oder diesem und der Anbauebene vermieden werden. An dieser Stelle ist eine genaue koaxiale relative Lage der miteinander verbundenen Teile erforderlich, um ein exaktes Eingreifen des Ritzels in die Verzahnung der Zahnstange zu gewährleisten.

Zur Befestigung des Zahnstangenlenkgehäuses am Fahrwerk eines Fahrzeuges kann vorzugsweise ein durch Biegeumformen hergestelltes, U-förmiges Halteblech an mindestens einem Endbereich des Zahnstangenlenkgehäuses angeschweißt werden. Die Verwendung eines U-förmigen gebogenen Haltebleches, dessen beide Schenkel am Zahnstangenlenkgehäuse angeschweißt sind, stellt eine einfache und zuverlässige Befestigungsmöglichkeit des durch Innenhochdruckumformen ausgebildeten stahlrohrartigen Zahnstangenlenkgehäuses dar.

Um einen zusätzlichen Korrosionsschutz für das Zahnstangenlenkgehäuse zu erhalten, kann dieses mit einer Beschichtung, beispielsweise mit einer Lackierung versehen werden, oder galvanisch behandelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Zahnstangenlenkgehäuses kann vorzugsweise mittels einer Vorrichtung ausgeführt werden, die für den ersten Verfahrensschritt bezüglich des Innenhochdruckumformens eine Negativkontur des Zahnstangenlenkgehäuses enthaltenes geteiltes Umformgesenkeinheit umfasst, wobei nachfolgend eine Presseinheit, eine Fräseinheit und schließlich eine Schweißeinheit vorgesehen sind.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Draufsicht sowie eine Seitenansicht auf ein erfindungsgemäß gefertigtes Zahnstangenlenkgehäuse,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Zahnstangenlenkgehäuse im Bereich der Passdurchgangsbohrung,

Fig. 3 mögliche alternative auf entsprechende Einsatzfälle angepaßte Konturausbildungen des Zahnstangenlenkgehäuses und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des Zahnstangenlenkgehäuses.

Das mit dem beanspruchten Herstellungsverfahren zu fertigende Zahnstangenlenkgehäuse 1 gemäß Fig. 1 weist eine zylindrische Grundgestalt auf. Die zylindrische Grundgestalt des Zahnstangenlenkgehäuses 1 wird unterbrochen durch einen Ritzeleingriffsbereich 2. Am Ritzeleingriffsbereich 2 kommt eine hier nicht dargestellte Ritzeleinheit zur Längsbewegung einer hier ebenfalls nicht dargestellten innerhalb des Zahnstangenlenkgehäuses 1 verlaufenden Zahnstange zum Einsatz. Das aus Stahl bestehende Zahnstangenlenkgehäuse 1 weist zwei endseitige Aufweitbereiche 3a und 3b auf. Innerhalb der Aufweitbereiche 3a und 3b ist je ein Lenkstangenführungselement 4a bzw. 4b angeordnet. Weiterhin ist in einem Endbereich des Zahnstangenlenkgehäuses ein U-förmiges Halteblech 5 angebracht. Mit dem Halteblech 5 ist eine Befestigung des Zahnstangenlenkgehäuses 1 an einem hier nicht weiter dargestellten Fahrwerk eines Fahrzeuges möglich. Das Halteblech 5 ist durch Schweißen mit dem Zahnstangenlenkgehäuse 1 verbunden. Im Ritzeleingriffsbereich 2 des Zahnstangenlenkgehäuses 1 befindet sich eine Passdurchgangsbohrung 6.

Die in Fig. 2 im Detail dargestellte Passdurchgangsbohrung 6 verläuft schräg zur Längsachse des Zahnstangenlenkgehäuses 1. Koaxial zur Passdurchgangsbohrung 6 ist ein unterer Lagerträger 7 sowie eine obere Anbauebene 8 durch Schweißen befestigt. Wie dargestellt, liegen die Schweißnähte hier unmittelbar im Bereich der Passdurchgangsbohrung 6. Die obere Anbauebene 8 ist mit zusätzlichen Schweißstellen am Zahnstangenlenkgehäuse 1 befestigt. Der untere Lagerträger 7 dient zur Aufnahme eines Nadellagers, in dem die Welle des hier nicht dargestellten Ritzels der Ritzeleinheit angeordnet ist. An der oberen Anbauebene 8 ist die Ritzeleinheit duch Schrauben befestigbar.

Gemäß Fig. 3 kann eine Befestigung einer Ritzeleinheit 9 und 9' auch an zwei Ritzeleingriffsbereichen 2 und 2' erfolgen. Hierdurch ist eine gesplittete Krafteinwirkung auf die innenliegende Zahnstange möglich. Nach einer weiteren (unten abgebildeten) Ausgestaltungsvariante kann das Zahnstangenlenkgehäuse 1 neben einer Ritzeleinheit 9 auch mit einer Servoeinheit 10 versehen sein. Die Servoeinheit 10 ist hier zur Lenkunterstützung für schwere Fahrzeuge als Kugelumlaufgetriebe ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt auch andere Ausgestaltungsvarianten für das Zahnstangenlenkgehäuse 1 zu.

Das Zahnstangenlenkgehäuse wird erfindungsgemäß durch das in Fig. 4 veranschaulichte Verfahren hergestellt. Ausgehend von einem umformbaren Stahlrohr als Halbzeug wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Innenhochdruckumformen innerhalb einer geteilten Umformgesenkeinheit durchgeführt. Hierbei wird bereits eine vollständige Konturausbildung des Zahnstangenlenkgehäuses 1 erzielt. Darauffolgend erfolgt in einem kombinierten Verfahrensschritt ein aufweitendes Einpressen der Lenkstangenführungselemente 4a und 4b in die beiden Endbereiche des Zahnstangenlenkgehäuses 1. Mit dem Einpressen erfolgt gleichzeitig das Aufweiten der Endbereiche, so dass zum einen eine zuverlässige Pressverbindung zwischen den Lenkstangenführungselementen 4a und 4b und dem Zahnstangenlenkgehäuse 1 entsteht und zum anderen ein Sitz für auf das Ende der Zahnstangenlenkgehäuse aufzuschiebenden Faltenbälge gebildet wird. Nach dem aufweitenden Einpressen der Lenkstangenführungselemente 4a und 4b wird eine Passdurchgangsbohrung 6 zur Herstellung des Ritzeleingriffsbereiches 2 am Zahnstangenlenkgehäuse 1 angefertigt. Schließlich erfolgt das Anschweißen des unteren Lagerträgers 7 sowie der oberen Anbauebene 8 koaxial zu der Passdurchgangsbohrung 6. Optional können noch weitere Herstellungsschritte - wie Beschichten - ausgeführt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Zahnstangenlenkgehäuses (1), welches eine zur Übertragung der Lenkkraft dienende Zahnstange rohrartig umgibt und mindestens einen Ritzeleingriffsbereich (2) aufweist, über den eine Ritzeleinheit (9) zur Längsbewegung der Zahnstange anbringbar ist, durch Innenhochdruckumformen (IHV) eines rohrartigen Ausgangsmaterials aus Stahl innerhalb eines Umformgesenks zur vollständigen Konturausbildung des Zahnstangenlenkgehäuses (1), dadurch gekennzeichnet, dass folgende weitere Verfahrensschritte ausgeführt werden:

• - aufweitendes gleichzeitiges Einpressen von Lenkstangenführungselementen (4a, 4b) in beide Endbereiche des Zahnstangenlenkgehäuses (1),
• - umformende oder spanende Bearbeitung der aufgeweiteten Endbereiche des Zahnstangenlenkgehäuses (1) zu Faltenbalgsitzen,
• - Anfertigen einer Paßdurchgangsbohrung (6) zur Fertigstellung des Ritzeleingriffsbereichs (2),
• - Anschweißen eines unteren Lagerträgers (7) sowie einer oberen Anbauebene (8) koaxial zur Paßdurchgangsbohrung (6).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschweißen des Lagerträgers (7) sowie der Anbauebene (8) durch Laserschweißen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung des Zahnstangenlenkgehäuses (1) am Fahrwerk eines Fahrzeuges ein durch Biegeumformen hergestelltes, U-förmiges Halteblech (5) an mindestens einem Endbereich des Zahnstangenlenkgehäuses (1) angeschweißt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnstangenlenkgehäuse (1) mit angebrachtem Lagerträger (7) und Anbauebene (8) mit einer Beschichtung versehen wird.