DE102008041952B4

DE102008041952B4 - Zahnstange

Info

Publication number: DE102008041952B4
Application number: DE102008041952.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Euteneuer; Klaus Börroth; Martin Steuer
Original assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: WO2010028939A1; DE102008041952A1

Abstract

Verfahren zum Induktionshärten einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges, wobei die Verzahnung mittels eines Induktors erwärmt und anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor derart über die Verzahnung (3) geführt wird, dass der induzierte Strom in Verzahnungsrichtung (x) über die Verzahnung (3) verläuft, und dass sich eine konturnahe Einhärtung der Verzahnung (3) ergibt; und dass die Verzahnung (3) mittels zweier gleichzeitig angewendeter unterschiedlicher Frequenzen, nämlich einer hohen und einer mittleren Frequenz, bei jeweils sehr kurzer Heizzeit erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Induktionshärten einer Verzahnung einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 2.
Da sie sehr hohe Kräfte übertragen müssen, müssen Verzahnungen in der Lage sein, hohen Belastungen Stand zu halten. Aus Festigkeits- und Verschleißgründen ist daher eine Randschichthärtung der Verzahnung erforderlich. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es hierzu bekannt, die Verzahnungen von unsymmetrischen bzw. nicht rotationssymmetrischen Bauteilen, wie z. B. Zahnstangen, im Vorschubverfahren zu härten. Durch dieses Vorschubverfahren ergibt sich eine Durchhärtung der einzelnen Zähne der Verzahnung bis zu dem jeweiligen Zahngrund, das heißt die einzelnen Zähne sind vollständig gehärtet.
Nachteilig dabei ist, dass die Belastbarkeit von Verzahnungen mit durchgehärteten Zähnen begrenzt ist, da sich in dem spröden Härtegefüge im Kernbereich der Zähne sehr leicht Risse bilden können. Des Weiteren ist nachteilig, dass durch das Durchhärten der Zähne der Eigenspannungszustand derselben ungünstig beeinflusst wird.
Zwar lassen sich durch Einsatzhärten andere Härtezonen als durch Induktionshärten erreichen, aufgrund des bei diesem Verfahren entstehenden starken Verzugs der Bauteile sowie der erforderlichen Aufkohlung des Werkstoffs und der damit sehr geringen Wirtschaftlichkeit ist das Einsatzhärten jedoch nicht für eine Serienfertigung geeignet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Induktionshärten einer Verzahnung eines länglichen, nicht rotationssymmetrischen Bauteils zu schaffen, welches mit einfachen und für eine Serienfertigung geeigneten Mitteln in der Lage ist, ein für die auftretenden Belastungen geeignetes Bauteil herzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zahnstange zu schaffen, welche einen hinsichtlich der auftretenden Belastungen günstigeren Härteverlauf aufweist.
Eine verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale von Anspruch 1. Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 2 genannten Merkmale gelöst.
Die Härtung zur Steigerung der Festigkeit und des Verschleißwiderstands der Zahnstange erfolgt erfindungsgemäß also lediglich oberflächennah entlang der Kontur der Zahnstange, so dass die Zähne im Kernbereich nicht gehärtet sind. Durch diese konturnahe Einhärtung der Verzahnung der erfindungsgemäßen Zahnstange wird die Belastbarkeit der Verzahnung erhöht, da sich durch die konturnahe Härtung im Kernbereich des Zahns kein sprödes Gefüge ergibt, sondern ein duktiler bzw. zäher Werkstoff vorliegt. 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.
Des Weiteren beeinflusst die Ausbildung einer Härtezone entlang der Zahnkontur den Eigenspannungszustand der erfindungsgemäßen Zahnstange positiv, da sich durch die Gefügeumwandlung nur im Randbereich Druckeigenspannungen ausbilden, die den Widerstand gegenüber Rissbildungen ebenfalls deutlich erhöhen.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Härtetiefe im Bereich des Zahngrunds wenigstens annährend parallel zu der Außenkontur der Verzahnung verläuft. Dadurch ist auch im Zahngrund eine ausreichend hohe Härte der erfindungsgemäßen Zahnstange gewährleistet.
Alternativ dazu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Zahngrund ungehärtet ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auch sehr komplexe längliche, nicht rotationssymmetrische Bauteile gleichermaßen einfach und rationell herstellen, so dass das Verfahren für eine Serienfertigung gut geeignet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zahnstange;
2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus 1;
3 eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Zahnstange mit einem ersten Verlauf der Härtetiefe;
4 eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Zahnstange mit einem zweiten Verlauf der Härtetiefe;
5 eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Zahnstange mit einem dritten Verlauf der Härtetiefe; und
6 eine perspektivische Ansicht eines Zahns der erfindungsgemäßen Zahnstange.
1 zeigt ein längliches, nicht rotationssymmetrisches Bauteil, nämlich eine Zahnstange 1, die insbesondere für ein nicht dargestelltes Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und aus einem Vergütungsstahl, wie zum Beispiel C45 (Werkstoffnummer 1.0503) oder 37CrS4 (Werkstoffnummer 1.7038) besteht. Selbstverständlich können auch alle anderen Vergütungsstähle für die Zahnstange 1 verwendet werden. Die Zahnstange 1 weist zwei die Enden derselben bildende zylindrische Abschnitte 2 und eine sich zwischen den zylindrischen Abschnitten 2 befindliche Verzahnung 3 auf.
In der vergrößerten Darstellung von 3 ist zu erkennen, dass die Verzahnung 3 einzelne Zähne 5 aufweist, die in an sich bekannter Weise jeweils einen Zahnkopf 6 und zwei von dem Zahnkopf 6 ausgehende Zahnflanken 7 aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 5 befindet sich jeweils ein Zahngrund 8, in den die Zahnflanken 7 der Zähne 5 auslaufen.
Um eine ausreichende Randschichthärte der Verzahnung 3 der Zahnstange 1 zu erreichen, wird dieselbe mittels Induktionshärten gehärtet, und zwar derart, dass die mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnete, durch den schraffierten Bereich dargestellte Härtetiefe bzw. Härtezone zumindest im Bereich des Zahnkopfes 6 und zumindest über einen Teil der Zahnflanken 7 wenigstens annährend parallel zu der Außenkontur 10 des Zahns 5 verläuft, sich also eine konturnahe Einhärtung ergibt. Im vorliegenden Fall sind die Zahnflanken 7 über ihre gesamte Länge gehärtet und die Härtetiefe 9 verläuft auch im Bereich des jeweiligen Zahngrunds 8 wenigstens annähernd parallel zu der Außenkontur 10 der Verzahnung 3, so dass der jeweilige Zahngrund 8 der Verzahnung 3 ebenfalls randschichtgehärtet ist. Mit dem Bezugszeichen 4 ist in 2 das ungehärtete Material der Zahnstange 1 bezeichnet.
In der Ausführungsform gemäß 4 ist der Zahngrund 8 jeweils ungehärtet und die Härtetiefe 9 verläuft außerdem auch nur über einen Teil der Zahnflanken 7. Auch eine derartige Ausführungsform kann für verschiedene Anwendungszwecke vorteilhaft sein.
Wie in der in 5 dargestellten Ausführungsform der Zahnstange 1 zu erkennen ist, ist es auch möglich, dass die Härtetiefe 9 im Bereich des Zahnkopfs 6 größer ist als im Bereich des Zahngrunds 8. Entscheidend ist, dass die Zähne 5 im Kernbereich auf Höhe des Zahngrunds 8 nicht durchgehärtet sind.
Aus der Darstellung eines Zahns 5 der Verzahnung 3 gemäß 6 geht hervor, wie die beschriebene konturnahe Einhärtung, also der beschriebene Verlauf der Einhärtetiefe 9 im Verhältnis zu der Außenkontur 10 der Verzahnung 3 erreicht wird. Hierzu ist ein Induktor, also das den Strom in die Zahnstange 1 induzierende und damit die Wärme erzeugende Bauteil, so ausgebildet und wird derart über die Verzahnung 3 geführt, dass der induzierte Strom in der in 5 wie auch in 1 mit ”x” bezeichneten Verzahnungsrichtung über die Verzahnung 3 verläuft, so dass die Wärme nur bis zu einer gewissen Tiefe in die Zahnstange 1 eindringt und sich die konturnahe Einhärtung der Verzahnung 3 ergibt. Der Strom wird also senkrecht über die Zähne 5 geführt. Selbstverständlich wird die Verzahnung 3 nach der Erwärmung durch den Induktor abgekühlt, was in an sich bekannter Weise z. B. durch Abschrecken mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit, erfolgen kann und daher nicht dargestellt ist. Auch der Induktor, der vorzugsweise über mehrere Zähne 5 der Verzahnung 3 verläuft, kann prinzipiell von an sich bekannter Bauart sein und ist daher ebenfalls nicht dargestellt.
Um die beschriebene Härtetiefe 9 zu erzielen, kann die Verzahnung 3 mittels nur einer Frequenz und einer sehr kurzen Heizzeit erwärmt werden, oder alternativ mittels zweier nacheinander oder gleichzeitig angewendeter, unterschiedlicher Frequenzen, insbesondere einer hohen und einer mittleren Frequenz, wobei jeweils ebenfalls eine sehr kurze Heizzeit verwendet wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Einhärtetiefe 9 von der Eindringtiefe des von dem elektrischen Strom erzeugten Magnetfelds abhängt, wobei die Eindringtiefe des Magnetfelds umso geringer ist, je höher die Frequenz ist. Zusätzlich zu der sehr kurzen Heizzeit ist die Induktion auch durch eine hohe Energiedichte gekennzeichnet. Durch die sehr kurze Heizzeit wird eine zu starke Wärmeleitung verhindert, so dass eine definierte Härtetiefe 9 erzielt werden kann.
Zusätzlich können variable Heiz- und Abkühlzeiten, mehrfaches Erwärmen und verschiedene, auf die jeweilige Geometrie und die Anforderungen während des späteren Einsatzes der Zahnstange 1 angepasste Induktoren verwendet werden.
In Abhängigkeit der Anforderungen an die Zahnstange 1 können auch weitere Bereiche derselben, wie z. B. der Umfang im Bereich der Verzahnung 3, die Übergänge an der Verzahnung 3 oder die zylindrischen Abschnitte 2 induktiv gehärtet werden. Selbstverständlich können auch einzelne Bereiche der Zahnstange 1 nicht gehärtet sein, wobei der verwendete Induktor an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Zahnstange
2: zylindrische Abschnitte
3: Verzahnung
4: ungehärtetes Material
5: Zahn
6: Zahnkopf
7: Zahnflanken
8: Zahngrund
9: Härtetiefe
10: Außenkontur

Claims

Verfahren zum Induktionshärten einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges, wobei die Verzahnung mittels eines Induktors erwärmt und anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor derart über die Verzahnung (3) geführt wird, dass der induzierte Strom in Verzahnungsrichtung (x) über die Verzahnung (3) verläuft, und dass sich eine konturnahe Einhärtung der Verzahnung (3) ergibt; und dass die Verzahnung (3) mittels zweier gleichzeitig angewendeter unterschiedlicher Frequenzen, nämlich einer hohen und einer mittleren Frequenz, bei jeweils sehr kurzer Heizzeit erwärmt wird.
Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, aus einem Vergütungsstahl, mit einer sich zumindest über einen Teil ihrer Länge erstreckenden, mittels Induktionshärten gehärteten Verzahnung, die einzelne, jeweils einen Zahnkopf und zwei Zahnflanken aufweisende Zähne und einen jeweiligen, sich zwischen zwei benachbarten Zähnen befindlichen Zahngrund aufweist, wobei die Verzahnung (3) derart induktiv gehärtet ist, dass die Härtetiefe (9) im Bereich des Zahnkopfes (6), des Zahngrundes (7) und zumindest über einen Teil der Zahnflanken (7) wenigstens annähernd parallel zu der Außenkontur (10) des Zahns (5) verläuft, wobei die Verzahnung mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gehärtet ist.