DE102008041931A1

DE102008041931A1 - Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenksystem in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008041931A1
Application number: DE102008041931A
Authority: DE
Inventors: Oswald Wirth; Bernd Hirninger; Tobias Euteneuer; Klaus BÖRROTH
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-11

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenksystem in einem Fahrzeug weist ein Grundkörper der Zahnstange mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Festigkeit auf, wobei die Verzahnung im Bereich des Abschnittes geringerer Festigkeit durch Umformen hergestellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenksystem in einem Fahrzeug.
Zahnstangen in Lenksystemen werden im Übertragungsweg zwischen einer Lenkhandhabe und den lenkbaren Rädern des Fahrzeuges eingesetzt. Die Zahnstangen bestehen üblicherweise aus einem vergüteten Stahl, in den die Verzahnung beispielsweise durch Spanen eingebracht wird. In Frage kommt auch eine Herstellung der Verzahnung im Wege des Umformens, indem beispielsweise ein vergüteter Stahl zunächst weichgeglüht und der weichgeglühte Abschnitt durch die Verformung wieder verhärtet wird.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine Zahnstange mit hoher Festigkeit herzustellen, die in variabler Weise mit einer oder mehreren Verzahnungen versehen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelost. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenksystem in einem Kraftfahrzeug. Die Zahnstange besteht aus einem Grundkörper, der mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist. Die Verzahnung im Bereich des Abschnittes geringerer Festigkeit wird im Wege des Umformens eingebracht, beispielsweise durch Kaltumformung.
Durch diese Vorgehensweise erhält man eine Zahnstange, die insgesamt eine hohe Festigkeit aufweist, da durch den Umformprozess auch der Abschnitt mit geringerer Festigkeit einer Verfestigung unterzogen wird. Die Zahnstange setzt sich somit nach Abschluss der Bearbeitung aus zwei Abschnitten hoher Festigkeit zusammen, von denen der erste Abschnitt bereits vor dem Einbringen der Verzahnung eine hohe Festigkeit und der zweite Abschnitt erst durch den Umformprozess die hohe Festigkeit erreicht.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, dass die Zahnstange ausschließlich in dem durch Umformen bearbeiteten Abschnitt eine Verzahnung aufweist, wohingegen in den Abschnitt höherer Festigkeit keine Verzahnung eingebracht werden muss, sondern beispielsweise nur ein zylindrischer Abschnitt vorgesehen ist. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, in den Abschnitt höherer Festigkeit durch spanende Bearbeitung eine Verzahnung einzubringen, beispielsweise durch Räumen, Fräsen oder Schleifen. Diese durch spanende Bearbeitung erzeugte Verzahnung kann sich hinsichtlich ihrer Geometrie, insbesondere des Übersetzungsverhältnisses von der durch Umformen erzeugten Verzahnung unterscheiden bzw. es können in einer oder in beiden Verzahnungsabschnitten sich wechselnde Übersetzungsverhältnisse realisiert werden. Daneben ist es aber auch möglich, den beiden Abschnitten gleiche Verzahnungen mit gleichbleibendem Übersetzungsverhältnis vorzusehen.
Grundsätzlich ist es möglich, in den Abschnitt höherer Festigkeit durch die spanende Bearbeitung beliebige Oberflächenkonturen bzw. Profile zu schaffen, soweit dies mit dem jeweiligen Spannerfahren möglich ist. Gemäß einer Variante ist beispielsweise vorgesehen, dass in den Abschnitt höherer Festigkeit durch spanende Bearbeitung ein Kugelgewinde eingebracht wird.
Der Grundkörper, der zur Herstellung der Zahnstange dient, besteht gemäß einer vorteilhaften Ausführung aus einem Rohling aus vergütungsfähigem Stahl, der abschnittsweise vergütet wird, beispielsweise im Wege des induktiven Vergütens. Hierbei kommt sowohl eine Ausführung in Betracht, bei der der Rohling zunächst komplett vergütet und anschließend abschnittsweise weichgeglüht wird als auch eine Variante, bei der der Rohling nur über einen Teilabschnitt seiner gesamten axialen Länge vergütet wird. Bei beiden Ausführungsvarianten erhält man einen Abschnitt, welcher eine geringere Festigkeit als der vergütete Abschnitt aufweist, wobei der Abschnitt geringerer Festigkeit wie zuvor beschrieben dem Umformprozess zur Herstellung einer Verzahnung unterzogen wird. In jedem Fall erhält man eine Zahnstange, die nach Abschluss der Bearbeitung im wesentlichen über ihre axiale Länge eine hohe Festigkeit aufweist. Für den Umformprozess steht in beiden Fällen ein Abschnitt von zunächst geringerer Festigkeit zur Verfügung, der durch den Umformprozess eine höhere Festigkeit erlangt.
Als Rohmaterial kommen grundsätzlich Vergütungsstähle in Betracht, und zwar sowohl legierte als auch unlegierte Stähle. Beispielsweise kann als unlegierter Werkstoff ein C45R-Stahl eingesetzt werden, als legierter Stahl kommt beispielsweise 37CrS4 in Betracht.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug, mit einem Lenkgestänge, das eine in erfindungsgemäßer Weise hergestellte Zahnstange umfasst,
2 eine perspektivische Darstellung einer Zahnstange, die zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Verzahnung aufweist.
In 1 ist ein Lenksystem 1 für ein Fahrzeug dargestellt, bestehend aus einer als Lenkrad 2 ausgebildeten Lenkhandhabe, einer Lenkwelle 3, einem Lenkgetriebe 4, einem Lenkgestänge 5 und einem elektrischen Servomotor 7. Über das Lenksystem 1 wird den lenkbaren Vorderrädern des Fahrzeugs nach Vorgabe eines über das Lenkrad 2 vorgegebenen Lenkwinkels δ_L ein Radlenkwinkel δ_V aufgeprägt. Hierbei wird der Lenkwinkel δ_L, der vom Fahrer vorgegeben wird, über die Lenkspindel bzw. -welle 3 und das Lenkgetriebe 4 auf das Lenkgestänge 5 übertragen, die eine Zahnstange 8 umfasst, wobei über das Lenkgestänge 5 der Radlenkwinkel δ_V eingestellt wird. Über den elektrischen Servomotor 7 kann ein zusätzliches Unterstützungsmoment aufgebracht werden.
Gegebenenfalls ist das Lenksystem 1 als aktives Lenksystem mit einem Überlagerungsgetriebe ausgestattet, mit dessen Hilfe dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel δ_L ein Überlagerungslenkwinkel überlagerbar ist.
In 2 ist die Zahnstange 8 in Einzeldarstellung gezeigt. Die Zahnstange 8 besteht aus zwei axialen Abschnitten 9 und 10 mit jeweils einer Verzahnung 11 bzw. 12, wobei sich die Geometrie der Verzahnungen in den Abschnitten voneinander unterscheiden kann, beispielsweise im Hinblick auf das Übersetzungsverhältnis oder darauf, dass über die axiale Länge jedes Abschnittes die Verzahnung 11 und/oder die Verzahnung 12 ein sich änderndes Übersetzungsverhältnis aufweisen.
Zur Herstellung der Zahnstange 8 wird ein zylindrischer Grundkörper, bestehend aus einem Rohling aus vergütungsfähigem Stahl verwendet, der gemäß einer ersten Variante nur im zweiten Abschnitt 10 vergütet wird, beispielsweise im Wege des induktiven Vergütens, wohingegen der erste Abschnitt 9 keiner Vergütung unterzogen wird. Damit weist der erste Abschnitt 9 eine geringere Festigkeit als der zweite Abschnitt 10 auf, was jedoch Voraussetzung für die Erzeugung der Verzahnung 11 im Wege des Umformens, insbesondere im Wege des Kaltumformens ist. Durch den Umformprozess wird eine lokale Verfestigung im Bereich des ersten Abschnittes 9 erreicht, so dass nach Abschluss der Bearbeitung insgesamt, im wesentlichen über die axiale Länge der Zahnstange 8 gesehen, eine hohe Festigkeit gegeben ist. Die Verzahnung 12 im zweiten Abschnitt 10, welcher dem Prozess des induktiven Vergütens unterzogen wurde, wird durch spanende Bearbeitung wie zum Beispiel Räumen, Fräsen oder Schleifen erzeugt.
Gemäß einer zweiten Variante zur Herstellung der Zahnstange 8 ist vorgesehen, dass der Rohling aus vergütungsfähigem Stahl über seine Länge komplett vergütet und anschließend im Bereich des Abschnittes 9 weichgeglüht wird, um dadurch die Festigkeit wieder herabzusetzen und die Bearbeitung durch Umformen zur Erzeugung der Verzahnung 11 zu ermöglichen, wodurch wieder eine Verfestigung erreicht wird. Die Verzahnung 12 im zweiten Abschnitt 10 kann wie bei der ersten Ausführungsvariante durch spanende Bearbeitung hergestellt werden.
Grundsätzlich ist es auch möglich, auf die Verzahnung 12 im zweiten Abschnitt 10 zu verzichten und diesen Abschnitt, der durch Vergüten eine hohe Festigkeit aufweist, entweder in Zylinderform zu belassen oder mit einem sonstigen Profil zu versehen, beispielsweise mit einem Kugelgewinde oder mit einem Zylinderteil geringeren Durchmessers, was ebenfalls im Wege der spanenden Bearbeitung durchgeführt wird.
Mithilfe des vorbeschriebenen Verfahrens können verschiedene Fertigungsverfahren zur Herstellung von Verzahnungen oder sonstigen Profilierungen miteinander kombiniert werden. An der Zahnstange werden Festigkeitssteigerungen erzielt, wobei dieser Effekt zur Reduzierung des Zahnstangendurchmessers unter ansonsten gleichen Kraftbedingungen ausgenutzt werden kann.
Die Zahnstange kann anschließend noch einem Härtungsprozess unterzogen werden.

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Lenkgetriebe
5: Lenkgestänge
6: Vorderrad
7: elektrischer Servomotor
8: Zahnstange
9: Abschnitt
10: Abschnitt
11: Verzahnung
12: Verzahnung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenksystem in einem Fahrzeug, wobei die Zahnstange (8) aus einem Grundkörper besteht, auf den eine Verzahnung (11, 12) aufzubringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper der Zahnstange (8) mindestens zwei Abschnitte (9, 10) mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist, und dass die Verzahnung (11) im Bereich des Abschnitts (9) mit geringerer Festigkeit durch Umformen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (10) mit höherer Festigkeit spanend bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abschnitt (10) mit höherer Festigkeit durch spanende Bearbeitung eine Verzahnung (12) eingebracht wird, beispielsweise durch Räumen, Fräsen oder Schleifen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abschnitt (10) mit höherer Festigkeit durch spanende Bearbeitung ein Kugelgewinde eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (10) mit höherer Festigkeit zu einem Zylinderteil bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einem unvergüteten Rohling aus vergütungsfähigem Stahl besteht, der zumindest abschnittsweise vergütet, insbesondere induktiv vergütet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling zunächst komplett vergütet und anschließend abschnittsweise weichgeglüht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Abschnitt (10) des Rohlings vergütet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (11) im Abschnitt (9) mit geringerer Festigkeit durch Kaltverfestigung hergestellt wird.
Zahnstange, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (8) im Abschnitt (10) mit höherer Festigkeit und im Abschnitt (9) mit geringerer Festigkeit unterschiedliche Verzahnungen (11, 12) aufweist.
Lenksystem mit einer Zahnstange, die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.