DE102009029407A1

DE102009029407A1 - Verfahren zum Herstellen eines bewegungsübertragenden Lenkbauteils in einem Lenksystem eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102009029407A1
Application number: DE200910029407
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Gold; Wilfried Sandner
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines bewegungsübertragenden Lenkbauteils in einem Lenksystem eines Fahrzeugs wird in einem ersten Schritt das Lenkbauteil durch spanende Bearbeitung aus einem Halbzeug gefertigt und in einem zweiten Schritt in das Lenkbauteil durch Walzen eine umlaufende Verzahnung sowie mindestens eine weitere Umformung erzeugt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines bewegungsübertragenden Lenkbauteils in einem Lenksystem eines Fahrzeugs.
Lenkritzel in Lenksystemen von Fahrzeugen sind einenends mit einer Lenkwelle verbunden, über die der Fahrer die gewünschte Lenkbewegung vorgibt. Anderenends greift die Verzahnung des Lenkritzels in eine Lenkstangenverzahnung ein, über die die Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs weitergeleitet wird.
Der Herstellungsprozess des Lenkritzels unterteilt sich in verschiedene, einzelne Verfahrensschritte. Üblicherweise wird das Lenkritzel zunächst aus einem Halbzeug gedreht, anschließend erfolgt in einem weiteren spanenden Prozess durch Fräsen das Einbringen der gewünschten Verzahnung. Da Lenkritzel erheblichen mechanischen Belastungen unterworfen sind und zudem eine lange Lebensdauer aufweisen müssen, wird nach dem Verzahnungsfräsen das Lenkritzel gehärtet, daran schließen sich weitere umformende und spanende Schritte wie Hartschälwälzfräsen, Richten und Schleifen an. Im ersten Prozessschritt, dem Drehen, erfolgt meist auch das Einbringen eines Gewindes und das Bohren von Sensorbohrungen zur Aufnahme eines Drehmomentsensors.
Nachteilig bei diesem Herstellungsverfahren ist der verhältnismäßig hohe Materialeinsatz, bedingt durch den hohen Zerspanungsumfang. Auch sind die Taktzeiten verhältnismäßig hoch, was den Herstellungsprozess verteuert. Außerdem ist aufgrund der spanenden Bearbeitung die Festigkeit der Verzahnung nicht im optimalen Bereich. Dies kann zwar durch das Härten ausgeglichen werden, allerdings ist durch Härteverzüge eine zusätzliche Hartbearbeitung sowie ein Richtprozess erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einer umlaufenden Verzahnung versehenes Lenkbauteil in einem Lenksystem eines Fahrzeugs in kostengünstiger Weise und mit hoher Festigkeit herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein bewegungsübertragendes Lenkbauteil in einem Lenksystem eines Fahrzeugs hergestellt werden, wobei das Lenkbauteil eine umlaufende Verzahnung aufweist. Bei dem bewegungsübertragenden Lenkbauteil handelt es sich insbesondere um ein Lenkritzel, das die vom Fahrer erzeugte Lenkbewegung der Lenkwelle auf eine Lenkzahnstange überträgt, welche den gewünschten Radlenkwinkel an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs einstellt. Mit dem Verfahren kann auch ein Antriebsritzel hergestellt werden, welches vorzugsweise in Lenksystemen mit elektrischer Lenkkraftunterstützungseinrichtung eingesetzt wird und das unterstützende Servomoment eines elektrischen Servomotors auf die Lenkzahnstange überträgt. Allgemein können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Zahnstangen oder Ritzel mit umlaufender Verzahnung in Lenksystemen von Fahrzeugen hergestellt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem ersten Schritt das Lenkbauteil durch spanende Bearbeitung aus einem Halbzeug gefertigt wird. Daran schließt sich in einem zweiten Schritt ein Walzprozess an, mit dem die umlaufende Verzahnung erzeugt sowie zugleich das Lenkbauteil in einem Abschnitt, der sich an die Verzahnung anschließt, mindestens einer weiteren Umformung unterzogen wird.
Bei diesem Prozess werden weniger Herstellungsschritte als im Stand der Technik benötigt, wodurch die Taktzeiten sinken und eine kostengünstigere Herstellung möglich ist. Der Anteil an spanender Bearbeitung ist reduziert, so dass ein geringerer Materialverlust gegeben ist. Durch den Walzprozess wird Material des Lenkbauteils umgeformt, wodurch die gewünschte, umlaufende Verzahnung am Lenkbauteil sowie zumindest eine weitere, gewünschte Geometrie hergestellt wird. Durch den Walzprozess wird zugleich eine höhere Festigkeit erzielt, was insbesondere im Bereich der Verzahnung, die im Betrieb hohen Kräften unterworfen ist, zu einer höheren Lebensdauer führt. Da mit dem Einbringen der Verzahnung kein Material verloren geht, ist insgesamt weniger Materialeinsatz erforderlich, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Da zusätzlich zu dem Einbringen der Verzahnung auch eine weitere Geometrie im Walzprozess in das Lenkbauteil eingebracht wird, kann das Erzeugen dieser Geometrie im vorgeschalteten Zerspanungsprozess entfallen, der somit einfacher und schneller durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Walzprozess um ein Kaltwalzen, das unterhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird. Gegebenenfalls kommt aber auch ein Warmwalzen oberhalb der Rekristallisationstemperatur in Betracht.
Bei der Geometrie, welche im Zuge des Walzens durch Umformen erzeugt wird, handelt es sich insbesondere um eine Bohrung, die in einen Schaft des Lenkbauteils eingebracht wird und zur Aufnahme eines Drehmomentsensors dient. Darüber hinaus kann zusätzlich zu der umlaufenden Verzahnung im Prozessschritt des Walzens ein Gewinde in einem Abschnitt des Lenkbauteils erzeugt werden, welches vorzugsweise zur Aufnahme eines Festlagers dient. Zweckmäßigerweise werden während des Walzprozesses in einem gemeinsamen Schritt sowohl die umlaufende Verzahnung als auch die mindestens eine Bohrung und das Gewinde erzeugt. Durch den parallelen Walzprozess von Verzahnung und Bohrungen ist eine Orientierung beider Geometrien zueinander automatisch gegeben. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch den Walzprozess nicht nur die Verzahnung, sondern auch die Bohrung sowie das Gewinde mit höherer Festigkeit versehen sind.
Zweckmäßigerweise schließen sich weitere Prozessschritte an den Walzprozess an. Im Anschluss an das Walzen wird das Lenkbauteil gehärtet, nach dem Härten wird das Lenkbauteil geschliffen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 ein Lenkritzel als bewegungsübertragendes Lenkbauteil in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, dargestellt nach dem ersten Prozessschritt, bei dem ein Halbzeug spanend bearbeitet wird,
2 das Lenkritzel nach dem zweiten Prozessschritt, bei dem durch Kaltwalzen eine umlaufende Verzahnung, ein stirnseitiges Gewinde sowie Bohrungen zur Aufnahme eines Drehmomentsensors erzeugt werden.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Prozess der spanenden Bearbeitung im ersten Schritt wird zweckmäßigerweise durch Drehen des Halbzeugs durchgeführt.
Bei dem in 1 dargestellten Lenkbauteil handelt es sich um ein Lenkritzel 1, welches in einem Lenksystem eines Fahrzeugs zur Bewegungsübertragung der Lenkbewegung einer Lenkwelle auf eine Lenkzahnstange eingesetzt wird. Bei dem Lenksystem handelt es sich beispielsweise um ein EPS-System (Electric Power Steering), bei dem zur Lenkkraftunterstützung ein elektrischer Servomotor eingesetzt wird. Die Lenkkraftunterstützung des Servomotors wird über ein Antriebsritzel auf die Lenkzahnstange übertragen, das in gleicher oder ähnlicher Weise wie das dargestellte Lenkritzel ausgeführt sein kann.
In 1 ist das Lenkritzel 1 nach dem ersten Prozessschritt dargestellt. Das Lenkritzel 1 wird im ersten Schritt aus einem Halbzeug durch spanende Bearbeitung, insbesondere durch Drehen hergestellt. Das Lenkritzel 1 weist einen mittleren Abschnitt 2 mittleren Durchmessers auf, der den zylindrischen Grundkörper für die noch aufzubringende, umlaufende Verzahnung bildet. An den mittleren Abschnitt 2 schließt sich axial einenends ein Schaft 3 größeren Durchmessers an, der sich im eingebauten Zustand auf der dem Lenkrad abgewandten Seite befindet und zur Aufnahme eines Drehmomentsensors dient. Axial gegenüberliegend befindet sich ein stirnseitiger Abschnitt 4, der einen kleineren Durchmesser als der mittlere Abschnitt 2 aufweist. in den stirnseitigen Abschnitt 4 wird ein Gewinde eingebracht, das zur Aufnahme eines Festlagers dient. Über das Festlager wird das Lenkritzel 1 sicher und unverrückbar in seiner Einbauposition im Fahrzeug verankert.
In 2 ist das Lenkritzel 1 nach dem zweiten Prozessschritt dargestellt, in welchem das Lenkritzel 1 einem Kaltwalzen unterzogen wird. Während des Kaltwalzens wird zum einen eine umlaufende Schrägverzahnung 5 in den mittleren Abschnitt 2 durch Umformen eingebracht. Zum andern werden ebenfalls im Kaltwalzen Bohrungen 6 in den Schaft 3 eingebracht, die axial an gleicher Höhe angeordnet sind, jedoch über den Umfang verteilt platziert sind. Die Bohrungen 6 dienen zur Aufnahme bzw. Befestigung eines Drehmomentsensors. Insgesamt sind zumindest zwei derartige, sich in Radialrichtung erstreckende Bohrungen vorgesehen.
Außerdem wird im Wege des Kaltwalzens im stirnseitigen Abschnitt 4 ein Außengewinde 7 erzeugt, welches dazu dient, einen Ring eines Festlagers zur Lagerung des Lenkritzels 1 aufzunehmen.
Somit werden sowohl die umlaufende Verzahnung 5, die Bohrungen 6 als auch das Gewinde 7 während des Kaltwalzens hergestellt. Da es sich um einen reinen Umformprozess handelt, geht im Unterschied zu einer spanenden Bearbeitung kein Material verloren. Außerdem wird eine höhere Festigkeit erzielt, was insbesondere für die hohen mechanischen Belastungen unterworfenen Verzahnung 5 vorteilhaft ist, da diese aufgrund der höheren Festigkeit einem geringeren Verschleiß unterliegt.
Im Anschluss an das Kaltwalzen wird das Lenkritzel 1 gehärtet und danach geschliffen.
Bezugszeichenliste

1: Lenkritzel
2: mittlerer Abschnitt
3: Schaft
4: stirnseitiger Abschnitt
5: Verzahnung
6: Bohrung
7: Gewinde

Claims

Verfahren zum Herstellen eines bewegungsübertragenden Lenkbauteils in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, insbesondere zum Herstellen eines Lenkritzels (1) oder eines Antriebsritzels, bei dem in einem ersten Schritt das Lenkbauteil (1) durch spanende Bearbeitung aus einem Halbzeug gefertigt wird und in einem zweiten Schritt in das Lenkbauteil (1) durch Walzen eine umlaufende Verzahnung (5) erzeugt sowie das Lenkbauteil (1) im gleichen Schritt durch Walzen mindestens einer weiteren Umformung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Walzen mindestens eine Bohrung (6) in einen Schaft (3) des Lenkbauteils (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Walzen in einem Abschnitt des Lenkbauteils (1) ein Gewinde (7) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzprozess als Kaltwalzen ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkbauteil (1) im Anschluss an das Walzen gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkbauteil (1) im Anschluss an das Walzen geschliffen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die spanende Bearbeitung im ersten Schritt durch Drehen des Halbzeugs erfolgt.
Lenksystem mit einem Lenkbauteil (1), hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die durch Walzen hergestellte Bohrung ein Drehmomentsensor eingesetzt ist
Lenksystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Walzen hergestellte Gewinde (7) zur Aufnahme eines Festlagers dient.
Lenksystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lenkkraftunterstützung ein elektrischer Servomotor (EPS) vorgesehen ist.