DE102008025165B4

DE102008025165B4 - Antriebsbauteil

Info

Publication number: DE102008025165B4
Application number: DE102008025165A
Authority: DE
Inventors: Michael Braun; Manfred Beck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: DE102008025165A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Kraft- und Bewegungsübertragung mit kraftübertragenden Elementen mit einer Zahnung (1) oder/und mit einem Gewinde (10), wobei vorgesehen ist, dass die kraftübertragenden Elemente (1, 10) unter Warmumformung durch ein Presswerkzeug geformt und unter Abkühlung durch das abkühlende Presswerkzeug von einer vorgegebenen Ausgangstemperatur auf eine vorgegebene Endtemperatur in einem vorgegebenen Zeitraum wärmebehandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so ausgeführt wird, dass das Bauteil an wenigstens einer der Angriffsflächen der kraftübertragenden Elemente eine erhöhte Härte aufweist, indem die Härtung auf die Angriffsfläche der kraftübertragenden Elemente beschränkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Kraft- und Bewegungsübertragung mit kraftübertragenden Elementen, insbesondere mit einer Zahnung oder/und mit einem Gewinde.
Die Herstellung solcher Bauteile zur Kraft- und Bewegungsübertragung, z. B. von Zahnstangen, Spindeln und gezahnten Wellen, ist häufig dadurch erschwert, dass zumindest die kraftübertragenden Elemente dieser Bauteile einer nachträglichen Härtung bedürfen. Nachteilig können sich die Bauteile bei der Härtung verziehen und müssen anschließend gerichtet werden, was zusätzlichen Zeit- und Arbeitsaufwand verursacht. Indem die Härtung zwecks Minimierung solchen Zusatzaufwands im Wesentlichen auf die Bauteiloberfläche beschränkt wird, reicht die Festigkeit der Bauteile in ihrer Gesamtheit dann in vielen Fällen nicht aus.
Die US 2007/0137343 A1 beschreibt eine Zahnstange für ein Fahrzeug und ein Herstellungsverfahren dafür. Der Zahnabschnitt kann induktionsgehärtet sein.
Die DE 10 2006 030 509 A1 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung eines Blechbauteils, das mittels eines Hydro- oder Hochdruckumformverfahrens umgeformt ist. Nach dem Umformen ist ein lokal begrenzter Energieeintrag zum Härten vorbestimmter Bereiche des Blechbauteils vorgesehen.
Die DE 11 2005 001 328 T5 beschreibt ein Bauteil für eine genutete Verbindung, welches durch Presshärten eines dünnwandigen Rohrteils aus Borstahl hergestellt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit verringertem Herstellungsaufwand, insbesondere verringertem Aufwand für die Härtung, zur Herstellung eines Bauteils zur Kraft- und Bewegungsübertragung der eingangs erwähnten Art zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Kraft- und Bewegungsübertragung mit kraftübertragenden Elementen mit einer Zahnung oder/und mit einem Gewinde gelöst, wobei die kraftübertragenden Elemente unter Warmumformung durch ein Presswerkzeug geformt und unter Abkühlung durch das abkühlende Presswerkzeug von einer vorgegebenen Ausgangstemperatur auf eine vorgegebene Endtemperatur in einem vorgegebenen Zeitraum wärmebehandelt werden, wobei vorgesehen ist, dass das Verfahren so ausgeführt wird, dass das Bauteil an wenigstens einer der Angriffsflächen der kraftübertragenden Elemente eine erhöhte Härte aufweist, indem die Härtung auf die Angriffsfläche der kraftübertragenden Elemente beschränkt wird.
Durch die erfindungsgemäße Warmumformung kann das Bauteil auch aus einem hochfesten Material mit einer Ausgangszugfestigkeit zwischen etwa 300 und 1500 N/mm² hergestellt sein und eine entsprechend hohe Festigkeit aufweisen.
Vorzugsweise ist das Bauteil aus einem durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung härtbaren Material hergestellt und insbesondere in einem Arbeitsgang durch ein und dasselbe Presswerkzeug warmumgeformt und wärmebehandelt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wurde das Bauteil während der Abkühlung einem statischen Pressdruck durch das Presswerkzeug unterworfen und ist dadurch pressgehärtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauteil um einen länglichen Körper, der insbesondere als Zahnstange, Gewindestange oder/und gezahnte Welle ausgebildet ist.
Die Gewindestange kann z. B. einen Kugel- oder/und Trapezgewindetrieb aufweisen.
Das Bauteil kann aus mehreren Stücken bestehen, die vorzugsweise im Zuge der Warmumformung durch das Presswerkzeug miteinander verbunden sind.
Die Verbindung lässt sich durch Kraft- oder/und Formschluss herstellen. Eine Formschlussverbindung ist insbesondere durch Verprägung der Teile miteinander möglich.
Für die Verbindung kann ferner ein zusätzliches Verbindungsteil vorgesehen sein.
Vorzugsweise weisen jeweils mehrere der Teilstücke Elemente zur Kraftübertragung auf, z. B. ein Teilstück eine Stangenzahnung und ein anderes Teilstück ein Gewinde.
Andererseits können duktile Bereiche eingebracht werden.
Insbesondere kann die Härte an einer Angriffsfläche der kraftübertragenden Elemente ihren maximalen Wert erreichen. Entsprechend verringert ist die Abnutzung des Bauteils.
Das Bauteil lässt sich als Vollkörper oder/und Hohlkörper ausbilden.
Die durch das Presswerkzeug warmumgeformten, kraftübertragenden Elemente können vorgeformt sein. Alternativ ist es möglich, die kraftübertragenden Elemente durch das Presswerkzeug komplett aus einem Rohling zu formen, bei dem es sich z. B. um einen Rohling aus Blech handelt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 und 2 verschiedene Zahnstangen nach der Erfindung jeweils im Querschnitt und einer Längsansicht,
3 weitere Querschnittsansichten von Zahnstangen nach der Erfindung,
4 eine aus einem Rohr gebildete Zahnstange nach der Erfindung im Querschnitt und in Längsansicht,
5 weitere Querschnittsansichten rohrförmiger Zahnstangen nach der Erfindung,
6 eine Zahnstange nach der Erfindung mit rundem und abgeflachtem Querschnitt,
7 verschiedene, aus Blech hergestellte Zahnstangen nach der Erfindung,
8 verschiedene Zahnstangen nach der Erfindung mit zahnfreien Endabschnitten,
9 verschiedene, eine radiale Zahnung aufweisende Wellen nach der Erfindung,
10 eine Welle nach der Erfindung mit einem Kugelgewinde,
11 ein bei der Welle von 10 verwendbares Trapezgewinde,
12 eine rohrförmige Welle nach der Erfindung mit einem Kugelgewinde,
13 eine aus Blech hergestellte, der Welle von 12 entsprechende Welle,
14 ein Endteil einer Welle mit einem Kugelgewinde und einem gewindefreien Endabschnitt,
15 verschiedene Zahnstangen-/Wellenkombinationen nach der Erfindung,
16 verschiedene Zahnstangen-/Wellenkombinationen nach der Erfindung, die aus mehreren Stücken bestehen,
17 eine rohrförmige Zahnstange nach der Erfindung mit einem Füllkern,
18 eine Zahnstange nach der Erfindung mit einer durch Verprägung daran angebrachten Verbindungsbuchse,
19 eine Zahnstange nach der Erfindung mit einer Verbindungsbuchse, die mit einem Füllkern verbunden ist, und
20 eine Welle mit radialen Zahnungsabschnitten, wobei die Welle durch Verprägung mit drei Zahnringen verbunden ist.
Eine in 1 gezeigte Zahnstange aus Vollmaterial mit kreisrundem Querschnitt weist eine Zahnung 1 mit in Längsansicht trapezförmigen Zähnen auf. Die Zahnung kann vorgeformt und das Werkstück dann in einem Presswerkzeug unter Warmumformung fertiggestellt worden sein, wobei in dem gleichen Presswerkzeug im Anschluss an die Warmumformung eine Wärmebehandlung des Werkstücks erfolgte, indem das Werkstück durch das Presswerkzeug von einer vorgegebenen Ausgangstemperatur, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur lag, auf eine vorgegebene Endtemperatur in einem vorgegebenen Zeitraum abgekühlt und vergütet wurde. Bei dieser Wärmebehandlung erfolgte eine Härtung der Zahnstange unter Gefügeveränderung. Ein anliegender statischer Pressdruck sorgte für eine Presshärtung.
Eine in 2 gezeigte Zahnstange aus Vollmaterial mit einem Sechskantquerschnitt wurde in gleicher Weise hergestellt.
3 zeigt weitere Zahnstangen mit unterschiedlichen Querschnittsflächen. Die Zahnstange von 3a weist auf der der Zahnung 1 gegenüberliegenden Seite eine Abflachung 2 auf. Die Zähne der Zahnung der Zahnstange von 3b sind abweichend von der sonst runden Querschnittsform der Zahnstange mit einer geraden Kammlinie versehen. Die Querschnittsfläche der Zahnstange von 3c ist T-förmig mit einem T-Balken 3 ausgebildet, wobei der T-Balken 3 z. B. zur Führung der Zahnstange dienen kann.
Wie bei den vorangehenden Zahnstangen von 1 und 2 wurden die Zahnungen 1 in einem Presswerkzeug durch Warmumformung hergestellt und in dem gleichen Presswerkzeug unter Abkühlung durch das Presswerkzeug und Anliegen eines statischen Pressdrucks gehärtet.
Eine in 4 gezeigte Zahnstange mit einer Zahnung 1 ist rohrförmig mit einem Hohlraum 4 ausgebildet.
5a zeigt ebenfalls eine rohrförmige Zahnstange mit einem Hohlraum 4, dessen Zähne eine gerade Zahnkammlinie aufweisen. Eine ebensolche, in 5b gezeigte Zahnstange ist im Querschnitt abgeflacht.
Ein mit einer Zahnung 1 versehener Abschnitt 5 einer in 6 gezeigten Zahnstange entspricht im Querschnitt etwa dem Querschnitt der Zahnstange von 5b. Ein zahnfreier Abschnitt 6 der rohrförmigen Zahnstange von 6 ist kreisrund ausgebildet.
In 7a und 7b im Querschnitt gezeigte Zahnstangen sind in einem Presswerkzeug aus einem Blechstreifen hergestellt und anschließend durch das Presswerkzeug wärmebehandelt worden. Ein für das Ausführungsbeispiel von 7c verwendeter Blechstreifenrohling weist im Bereich der Zahnung 1 eine durch Aufschweißen oder -walzen gebildete Verstärkung auf.
8a zeigt eine Zahnstange aus Vollmaterial mit zahnungsfreien Endabschnitten 7 und 8. Eine ebensolche in 8b dargestellte Zahnstange ist rohrförmig mit einem Hohlraum 4 ausgebildet.
Eine in 9a gezeigte Welle weist einen Zahnungsabschnitt 1 mit radialen Zähnen 9 auf, die in einem Pressewerkzeug in das Vollmaterial der Welle eingeformt worden sind. Gemäß 9b ist die Welle als Rohr mit einem Hohlraum 4 ausgebildet.
10 zeigt eine Gewindestange mit einem Kugelgewinde 10, das in gleicher Weise aus Vollmaterial wie die betreffenden, vorangehend beschriebenen Zahnstangen durch Warmumformung hergestellt worden ist.
11 zeigt ein anstelle eines Kugelgewindes verwendbares Trapezgewinde 10.
12 betrifft eine rohrförmige Gewindestange mit einem Kugelgewinde.
13 verdeutlicht, dass die Gewindestange von 12 auch aus Blech mit einer gefügten Stoßstelle 11 geformt sein kann.
14 zeigt eine Gewindestange mit einem gewindefreien Endabschnitt 7. Am entgegengesetzten Ende könnte ebenfalls eine gewindefreier Endabschnitt vorgesehen sein.
Aus 15 gehen verschiedene, aus Rohr oder Vollmaterial gebildete, kombinierte Zahn-/Gewindestangen mit einer Zahnung 1 und einem Gewindetrieb 10 hervor. Die Ausführungsbeispiele von 15b und 15c umfassen eine Zahnstange mit einem abgeflachten Abschnitt 5 und einem kreisrunden, zahnfreien Abschnitt 6.
In 16 gezeigte kombinierte Zahn-/Gewindestangen bestehen aus zwei Stücken 12 und 13, die bei 14 miteinander verbunden sind. Das erste Stück 12 weist eine Zahnung 1, das zweite Stück 13 ein Kugelgewinde 10 auf. Die hauptsächlich kraftschlüssige Verbindung zwischen den Stücken 12, 13 ist im Zuge einer Warmumformung in einem Presswerkzeug hergestellt, bei welcher die Zahnung 1 und/oder das Gewinde 10 zumindest zwecks Fertigstellung geformt worden sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von 16b ist zur Verbindung der Stücke 12, 13 ein zusätzliches Teil in Form einer Hülse 15 verwendet. Andere Fügeverfahren wie auch Schweißen oder Kleben sind zur Verbindung der Stücke anwendbar.
17 zeigt eine rohrförmige Zahnstange mit einer Zahnung 1, in der ein bei der Warmumformung im Presswerkzeug verwendeter Kern 16 angeordnet ist. Der Kern 16 dient der Stabilisierung und erlaubt eine außerordentlich präzise Formung der Zahnung 1. Der Füllkern 16 muss nicht, wie gezeigt, durchgehend sondern kann auch nur abschnittsweise gebildet sein.
Aus 18 geht eine Zahnstange mit einer Zahnung 1 hervor, die rohrförmig ausgebildet ist und an einem Ende eine Buchse 17 zur Verbindung der Zahnstange mit einem nicht gezeigten weiteren Bauteil aufweist. Die Buchse 17 ist mit der Zahnstange durch eine ggf. ringförmige Verprägung 18 verbunden. Die Verprägung 18 kann in einem zur Herstellung der Zahnstange verwendeten Presswerkzeug in einem Arbeitsgang mit der Herstellung und Härtung der Zahnung erfolgen.
Wie aus 19 hervorgeht, lässt sich die Buchse 17 einstückig mit einem Füllkern 16 verbinden.
Es wird nun auf 20 Bezug genommen, wo eine Welle 19 mit zwei durch Warmumformung in einem Presswerkzeug eingeformten Zahnungen 1 und 1' gezeigt ist. Zwischen den Zahnungen 1, 1' ist die Welle mit Zahnradringen 20 bis 22 verbunden. Die Zahnradringe sind jeweils über ein Fußteil mit der Welle 19 verprägt. Die Verprägung erfolgte in einem für die Herstellung der Zahnungen 1, 1' verwendeten Presswerkzeug im Zuge einer Warmumformung. Dabei können gleichzeitig Verzahnungen 23 bis 25 der Zahnradringe 20 bis 22 mit eingeprägt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Kraft- und Bewegungsübertragung mit kraftübertragenden Elementen mit einer Zahnung (1) oder/und mit einem Gewinde (10), wobei vorgesehen ist, dass die kraftübertragenden Elemente (1, 10) unter Warmumformung durch ein Presswerkzeug geformt und unter Abkühlung durch das abkühlende Presswerkzeug von einer vorgegebenen Ausgangstemperatur auf eine vorgegebene Endtemperatur in einem vorgegebenen Zeitraum wärmebehandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so ausgeführt wird, dass das Bauteil an wenigstens einer der Angriffsflächen der kraftübertragenden Elemente eine erhöhte Härte aufweist, indem die Härtung auf die Angriffsfläche der kraftübertragenden Elemente beschränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem hochfesten Material mit einer Ausgangszugfestigkeit zwischen etwa 300 und 1500 N/mm² hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Angriffsfläche der kraftübertragenden Elemente (1, 10) warmumgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Presswerkzeug warmumgeformten, kraftübertragenden Elemente vorgeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil, insbesondere eine Zahn- oder/und Gewindestange, einteilig ausgebildet ist oder aus mehreren Stücken (12, 13) besteht, die durch die Warmumformung durch Kraft- oder/und Formschluss miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftübertragenden Elemente (1, 10) durch das Presswerkzeug komplett aus einem Rohling geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftübertragenden Elemente (1, 10) durch das Presswerkzeug komplett aus einem Rohling aus Blech geformt werden
Bauteil, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein länglicher Körper ist.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein als Zahn oder/und Gewindestange ausgebildeter Körper ist.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindestange einen Kugel- oder/und Trapezgewindetrieb aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einteilig ausgebildet ist oder aus mehreren Stücken (12, 13) besteht, die durch Kraft- oder/und Formschluss miteinander verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stücke durch Verprägung miteinander verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stücke (12, 13) durch ein zusätzliches Verbindungsstück (15) miteinander verbunden sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eines der Stücke (12, 13) Elemente (1, 10) zur Kraftübertragung aufweisen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Vollmaterial-/ oder/und Hohlkörper ausgebildet ist.