DE102009051734A1

DE102009051734A1 - Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102009051734A1
Application number: DE200910051734
Authority: DE
Inventors: Dieter Adler; Wolfgang DÖPPLING; Marco Meisborn; Horst Steinbinder
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Zahnstange (1) für eine Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges, wobei die Zahnstange (1) aus mehreren, mittels einer Verbindung miteinander verbundenen Teilen (7, 8) gebildet ist, von denen ein erstes Teil (7) mit einer entlang der Längsachse der Zahnstange (1) erstreckten Verzahnung (9) und ein zweites Teil (8) mit einem schraubenförmig um die Längsachse herum angeordneten Außengewinde (10) versehen ist, wobei die Verbindung einen Endabschnitt (12, 13) eines der Teile (7, 8) sowie einen den Endabschnitt (12, 13) umgebenden hohlen Verbindungsabschnitt (14a) aufweist, wobei der Endabschnitt (12, 13) und der hohle Verbindungsabschnitt (14a) form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zahnstange.
Aus DE 10 2007 029 000 A1 beispielsweise ist eine Zahnstange für eine Servolenkung bekannt geworden, die aus mehreren Teilen zusammengebaut ist. Ein erstes Teil ist in einer entlang der Längsachse der Zahnstange erstreckten Verzahnung zum Eingriff eines Ritzels versehen, dass am Ende einer Lenkstange angeordnet ist. Ein zweites Teil dieser Zahnstange ist mit einem schraubenförmig um die Längsachse herum angeordneten Außengewinde versehen. Dieses Außengewinde ist in Form einer gewundenen Kugelrille ausgebildet, die Teil eines Kugelgewindetriebes ist. Auf diesem zweiten Teil der Zahnstange ist eine Spindelmutter angeordnet, wobei zwischen der Spindelmutter dem als Gewindespindel ausgebildeten zweiten Teil der Zahnstange Kugeln angeordnet sind, die an Kugelrillen der Spindelmutter und der Gewindespindel abwälzen. Die Spindelmutter kann motorisch angetrieben werden, so dass eine vom Fahrer über die Lenkstange eingeleitete Lenkbewegung elektromechanisch unterstützt werden kann.
Diese beiden Teile der Zahnstange können miteinander verschweißt werden. Ein durch das Schweißen bedingter Wärmeeintrag kann sich jedoch nachteilig auf die Eigenschaften der Zahnstange auswirken. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die beiden miteinander verbundenen Teile kann es erforderlich sein, unterschiedliche Stahlsorten zu verwenden, sowie diese Teile unterschiedlich zu härten. Diese Unterschiede erfordern gegebenenfalls besondere Maßnahmen in Bezug auf die Schweißverbindung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Zahnstange nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, die diese Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch die Zahnstange gemäß Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass die Verbindung einen Endabschnitt eines der Teile sowie einen den Endabschnitt umgebenden hohlen Verbindungsabschnitt aufweist, wobei die Verbindung form- und/oder kraftschlüssig ausgebildet ist, werden die Nachteile einer stoffschlüssigen Verbindung vermieden. Auch können die beiden Teile unterschiedliche Querschnitte aufweisen, ohne dass sich an der Verbindungsstelle Schwachstellen aufgrund einer Kerbwirkung einstellen. Die beiden Teile können unabhängig voneinander hergestellt werden, ferner können Werkstoffauswahl und Wärmebehandlung einwandfrei an die unterschiedlichen Anforderungen an die beiden Teile angepasst werden.
Ein beispielsweise hülsenförmig ausgebildeter Mantel des hohlen Verbindungsabschnittes kann beispielsweise formschlüssig an den Außenumfang des Endabschnittes des anderen Teiles angeformt werden, beispielsweise in einem Umformverfahren, bei dem ein Rollierwerkzeug verwendet werden kann. Alternativ könnte der Mantel des hohlen Verbindungsabschnittes kraftschlüssig mit dem Endabschnitt des anderen Teiles verbunden sein, beispielsweise durch Einpressen des Endabschnittes in den hohlen Verbindungsabschnitt.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung sieht vor, dass der Mantel des hohlen Verbindungsabschnittes auf den Endabschnitt aufgeschrumpft ist. Dem Aufschrumpfen liegt das Prinzip der Wärmedehnung zu Grunde: der hohle Verbindungsabschnitt wird soweit erwärmt, dass die von dem Mantel des Verbindungsabschnittes begrenzte Aufnahme für den Endabschnitt des anderen Teiles soweit aufgeweitet ist, dass der Endabschnitt einwandfrei in die Aufnahme eingesetzt werden kann. Unter Abkühlung des hohlen Verbindungsabschnittes schrumpft dieser nun auf den Endabschnitt auf. Mit dem Aufschrumpfen kann eine einwandfreie Verbindung zwischen den beiden Teilen hergestellt werden. Die axiale Überdeckung zwischen dem Endabschnitt des einen Teiles und dem hohlen Verbindungsabschnitt ist so bemessen, dass die erwarteten Belastungen der Zahnstange im Bereich dieser Verbindung einwandfrei aufgenommen werden können.
Erfindungsgemäße Weiterbildungen können vorsehen, dass der hohle Verbindungsabschnitt einstückig an eines der beiden Teile der Zahnstange angeformt ist und mit seinem freien Ende dem Endabschnitt des anderen Teiles zugewandt ist.
Ebenfalls in erfindungsgemäßer Weiterbildung kann vorgesehen werden, dass einander zugewandte Endabschnitte der beiden Teile der Zahnstange mittels eines Verbindungselementes miteinander verbunden sind, wobei die hohlen Verbindungsabschnitte des Verbindungselementes die Endabschnitte umgeben. Eine einfache Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Variante kann beispielsweise vorsehen, dass das Verbindungselement durch eine Hülse gebildet ist. Diese Hülse kann an ihren den Endabschnitten zugewandten Enden jeweils mit einer Aufnahme für den benachbarten Endabschnitt versehen sein. Diese Hülse kann in der beschriebenen Weise auf die Endabschnitte der beiden Teile aufgeschrumpft werden.
In erfindungsgemäßer Weiterbildung kann der Endabschnitt mit einem Rändel versehen sein, so dass ein die Aufnahme begrenzender Mantel des Verbindungsabschnittes an diesen Rändel anrolliert werden kann. Auf diese Weise kann eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen gegen unerwünschte Verdrehung hergestellt werden.
Der Endabschnitt des Teiles kann mit einer oder mehreren Ausnehmungen versehen sein, die in Richtung auf dessen freies Ende hin begrenzt sind, und die für den Eingriff des Verbindungsabschnittes vorgesehen sind. Beispielsweise kann der Verbindungsabschnitt nach Fertigstellung der erfindungsgemäßen Verbindung mit einem an seinem freien Ende angeordneten Bord in eine Ringnut des Endabschnittes des Teiles eingreifen, so dass das Teil in axialer Richtung derart formschlüssig mit dem Verbindungsabschnitt verbunden ist, dass dieses Teil nicht mehr aus der Aufnahme des hohlen Verbindungsabschnittes herausgezogen werden kann.
Eine besonders günstige erfindungsgemäße Weiterbildung sieht vor, dass die weiter oben bereits beschriebene Hülse während des Aufschrumpfens auf die beiden einander zugewandten Endabschnitte der beiden Teile zusätzlich in einem Umformverfahren an die Endabschnitte angedrückt wird. Beispielsweise kann die Hülse mit einem Rollierwerkzeug unter plastischer Verformung an die Kontur der Endabschnitte anrolliert werden. Wenn die Endabschnitte in der beschriebenen Weise mit einem Rändel und beispielsweise mit der beschriebenen Ringnut versehen sind, kann die Hülse unter plastischer Verformung an die Kontur des Rändels angeformt und unter Ausbildung eines Radialbordes in die Nut hinein geformt werden.
Die Verbindung zwischen den beiden Teilen kann erforderlichenfalls weiter verbessert werden, indem vor und während des Aufschrumpfens die beiden Teile axial gegeneinander mit großer Kraft angepresst werden. In diesem Fall können die beiden einander zugewandten Endabschnitte der beiden Teile an ihren Stirnseiten mit Anlageflächen füreinander versehen sein, die beispielsweise plan ausgeführt sind. Wenn die zuvor beschriebene Hülse auf die beiden Endabschnitte aufgeschrumpft wird, zieht sich die Hülse auch in axialer Richtung zusammen. Nach Beendigung des Aufschrumpfes und Wegnahme der axialen Anpresskraft von den beiden Teilen der Zahnstange steht die Hülse unter axialer Zugspannung, so dass die beiden Teile unter einer entsprechenden Druckkraft gegeneinander angedrückt werden. Auf diese Weise kann die Verbindung zwischen den beiden Teilen weiter verbessert werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von drei in insgesamt vier Figuren abgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt einer elektromechanisch unterstützten Zahnstangenlenkung mit einer erfindungsgemäßen Zahnstange
2 eine Ausschnittsvergrößerung aus der 1 im Längsschnitt
3 eine weitere erfindungsgemäße Zahnstange in einer Ausschnitts vergrößerung wie in 2 und
4 eine weitere erfindungsgemäße Zahnstange in einer Ausschnittsvergrößerung wie in 2.
1 zeigt einen Ausschnitt einer elektromechanisch unterstützten Zahnstangenlenkung mit einer erfindungsgemäßen Zahnstange 1. Auf der Zahnstange 1 ist ein Kugelgewindetrieb 2 angeordnet, dessen Spindelmutter 3 von einem hier nicht abgebildeten Elektromotor über einen Treibriemen 4 angetrieben wird. Die Spindelmutter 3 ist auf einem Gewindespindelabschnitt 5 drehbar angeordnet. Zwischen der Spindelmutter 3 und dem Gewindespindelabschnitt 5 sind hier nicht abgebildete Kugeln angeordnet, die an Kugelrillen 6 der Spindelmutter 3 und des Gewindespindelabschnittes 5 abwälzen. In der 1 ist die Kugelrille 6 des Gewindespindelabschnittes 5 abgebildet. Unter Drehung der Spindelmutter 3 wird die Zahnstange 1 in den axialen Richtungen verlagert.
Die Zahnstange 1 ist vorliegend aus zwei axial hintereinander angeordneten Teilen 7, 8 zusammengesetzt. Das Teil 7 der Zahnstange 1 ist mit einer entlang der Längsachse der Zahnstange 1 erstreckten Verzahnung 9 versehen. Ein hier nicht abgebildetes Ritzel einer Lenkstange greift in diese Verzahnung 9 ein. Das Teil 8 der Zahnstange 1 ist stangenförmig ausgebildet und mit dem Gewindespindelabschnitt 5 versehen. Die Kugelrille 6 ist schraubenförmig um die Längsachse der Zahnstange 1 gewunden und bildet ein Außengewinde 10.
Die beiden Teile 7, 8 der Zahnstange 1 sind mittels einer Hülse 11 form- und kraftschlüssig miteinander verbunden. Diese Hülse 11 bildet ein Verbindungselement 11a.
8 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung der 1. Hier ist deutlich die längs geschnittene Hülse 11 zu erkennen. Die beiden Teile 7, 8 sind mit ihren einander zugewandten Endabschnitten 12, 13 in einer Aufnahme 14 der Hülse 11 angeordnet. Die Hülse 11 bildet mit ihren den beiden Endabschnitten 12, 13 zugewandten Aufnahmen 14 jeweils einen hohlen Verbindungsabschnitt 14a, der den zugeordneten Endabschnitt 12, 13 der beiden Teile 7, 8 ringförmig umgibt. Die Hülse 11 weist einen ringförmig geschlossenen Mantel 15 auf, der auf die Endabschnitte 12, 13 der beiden Teile 7, 8 aufgeschrumpft ist. Bei diesem einfach herstellbaren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Hülse 11 demzufolge auf die Endabschnitte 12, 13 aufgeschrumpft.
Die beiden Endabschnitte 12, 13 der beiden Teile 7, 8 sind jeweils an ihrem Außenumfang mit einem umlaufenden Rändel 16, 17 versehen, wobei diese Rändel 16, 17 von den freien Enden der beiden Endabschnitte 12, 13 axial beabstandet sind. Die einander zugewandten Enden der beiden Endabschnitte 12, 13 sind jeweils mit einer Anlagefläche 18, 19 füreinander versehen, wobei diese Anlageflächen 18, 19 plan ausgeführt sind und in einer zur Längsachse der Zahnstange 1 quer angeordneten Ebene liegen. Der jeweilige Rändel 16, 17 liegt axial zwischen der Anlagefläche 18, 19 und einer an den Teilen 7, 8 ausgebildeten Ringnut 20, 21, die an den Rändel 16, 17 anschließt.
Die Hülse 11 wird erwärmt, so dass deren Aufnahmen 14 zum einfachen Einführen der Endabschnitte 12, 13 der Teile 7, 8 radial erweitert sind. Der Mantel 15 der Hülse 11 ist zunächst einwandfrei hohlzylindrisch über seine gesamte axiale Erstreckung ausgeführt. Die beiden Teile 7, 8 der Zahnstange 1 werden nun unter großer axialer Kraft gegeneinander angedrückt, so dass die beiden Anlageflächen 18, 19 in Presskontakt stehen. Die erwärmte Hülse 11 wird nun mittels eines hier nicht abgebildeten Rollierwerkzeuges an die Endabschnitte 12, 13 der beiden Teile 7, 8 anrolliert, wobei Material der Hülse 11 in die Rändel 16, 17 fließt. Ferner werden die freien Enden der Hülse 11 in die Ringnuten 20, 21 anrolliert, wobei an den freien Enden der Hülse 11 Borde 22 erzeugt werden. Nach Abkühlen der Hülse 11 und Entfernung der axialen Druckkraft von den beiden Teilen 7, 8 ist eine einwandfreie Verbindung dieser beiden Teile 7, 8 der Zahnstange 1 hergestellt, die sowohl form- als auch kraftschlüssig ausgeführt ist.
Unter ihrer Abkühlung schrumpft die Hülse 11 sowohl in Umfangs- als auch in axialer Richtung. Der Eingriff der Borde 22 in die Ringnuten 20, 21 erzeugt einen Formschluss in axialer Richtung derart, dass die Hülse 11 mit einer axialen Zugspannung beaufschlagt ist. Unter dieser Zugspannung werden die beiden Teile 7, 8 mit ihren Anlageflächen 18, 19 gegeneinander angedrückt. Das Schrumpfen der Hülse 11 in Umfangsrichtung bewirkt eine Verringerung des radialen Durchmessers der Aufnahme 14, so dass sich der Mantel 15 der Hülse 11 an den Außenumfang der Endabschnitte 12, 13 eng anlegt.
Die in der 3 abgebildete erfindungsgemäße Zahnstange 1 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Zahnstange lediglich dadurch, dass nach Abschluss des Anrollierens der Hülse 11 an deren Mittelabschnitt ein Materialaufwurf 23 ausgebildet ist. Dieser Materialaufwurf 23 kann zum einen das Fließen des Materiales begünstigen. Zum anderen erhöht dieser Materialaufwurf 23 die Biegefestigkeit der Hülse 11.
3 zeigt außerdem eine Profillinie des Rollierwerkzeuges, mit dem die Hülse 11 an die Zahnstange 1 anrolliert wird. Ferner zeigt 3 unterhalb der Längsachse der Zahnstange 1, dass die freien Enden der Hülse 11 zunächst einwandfrei hohlzylindrisch ausgeführt sind.
Die in 4 abgebildete erfindungsgemäße Variante unterscheidet sich von der aus der 3 lediglich dadurch, dass die beiden Endabschnitte 12, 13 der beiden Teile 7, 8 jeweils mit einer radialen Einschnürung 25, 26 versehen sind, wobei während des Einrollierens der Mantel 15 der Hülse 11 zusätzlich in diese Einschnürungen 25, 26 hinein rolliert wird. Durch diese Maßnahme kann erforderlichenfalls die Verbindung zwischen den beiden Teilen 7, 8 weiter verbessert werden, da ein unerwünschtes Auseinanderziehen der beiden Teile 7, 8 durch diese zusätzliche Maßnahme sicher verhindert ist. In der 4 ist ebenfalls eine Profillinie 27 des hier verwendeten Rollierwerkzeuges abgebildet.
Das Anrollieren der Hülse an die Endabschnitte der beiden Teile der Zahnstange kann bedarfsweise an lediglich den Stellen der Hülse vorgenommen werden, bei denen Material der Hülse zur Erzeugung eines Formschlusses fließen soll.
Bei der erfindungsgemäßen Zahnstange kann durch den gezielten Einsatz von Rohmaterialien und Wanddickenoptimierung für das Verbindungselement eine gewichtsoptimierte Verbindung bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Zahnstange
2: Kugelgewindetrieb
3: Spindelmutter
4: Treibriemen
5: Gewindeabschnitt
6: Kugelrille
7: Teil
8: Teil
9: Verzahnung
10: Außengewinde
11: Hülse
11a: Verbindungselement
12: Endabschnitt
13: Endabschnitt
14: Aufnahme
14a: Verbindungsabschnitt
15: Mantel
16: Rändel
17: Rändel
18: Anlagefläche
19: Anlagefläche
20: Ringnut
21: Ringnut
22: Bord
23: Materialaufwurf
24: Profillinie
25: Einschnürung
26: Einschnürungen
27: Profillinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007029000 A1 [0002]

Claims

Zahnstange (1) für eine Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges, wobei die Zahnstange (1) aus mehreren, mittels einer Verbindung miteinander verbundenen Teilen (7, 8) gebildet ist, von denen ein erstes Teil (7) mit einer entlang der Längsachse der Zahnstange (1) erstreckten Verzahnung (9) und ein zweites Teil (8) mit einem schraubenförmig um die Längsache herum angeordneten Außengewinde (10) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung einen Endabschnitt (12, 13) eines der Teile (7, 8) sowie einen den Endabschnitt (12, 13) umgebenden hohlen Verbindungsabschnitt (14a) aufweist, wobei der Endabschnitt (12, 13) und der hohle Verbindungsabschnitt (14a) form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Zahnstange (1) nach Anspruch 1, bei der ein Mantel (14) des hohlen Verbindungsabschnittes (14a) auf den Endabschnitt (12, 13) aufgeschrumpft ist.
Zahnstange (1) nach Anspruch 1, bei der einander zugewandte Endabschnitte (12, 13) der beiden Teile (7, 8) mittels eines Verbindungselementes (11a) miteinander verbunden sind, wobei die hohlen Verbindungsabschnitte (14a) des Verbindungselementes (11a) die Endabschnitte (12, 13) umgeben.
Zahnstange (1) nach Anspruch 3, bei der die Endabschnitte (12, 13) der beiden Teile (7, 8) stirnseitig mit Anlageflächen (18, 19) füreinander versehen sind.
Zahnstange (1) nach Anspruch 1, bei der der Endabschnitt (12, 13) an seinem Außenumfang mit einem Rändel (16, 17) versehen ist.
Zahnstange (1) nach Anspruch 1, bei der der Endabschnitt (12, 13) mit wenigstens einer in einer axialen Richtung begrenzten Ausnehmung für den Eingriff des Verbindungselementes (14a) versehen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange (1) nach einem oder mehreren der zuvor genannten Ansprüche, bei dem der durch Erwärmung aufgeweitete Verbindungabschnitt (11a) auf den Endabschnitt (12, 13) aufgebracht ist, und bei dem die beiden Teile (7, 8) in einer vorbestimmten Lage zueinander angeordnet sind, und bei dem der Verbindungsabschnitt (11a) durch Abkühlung auf den Endabschnitt (12, 13) aufgeschrumpft wird.
Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange (1) nach Anspruch 7, bei dem der Verbindungsabschnitt (11a) mittels eines Umformwerkzeuges, insbesondere Rollierwerkzeug, an den Endabschnitt (12, 13) angeformt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange (1) nach Anspruch 7, bei dem vor dem Aufschrumpfen des Verbindungsabschnittes (11a) die beiden Teile (7, 8) endseitig in Anlage miteinander gebracht werden, wobei unter dem Aufschrumpfen des Verbindungsabschnittes (11a) die beiden Teile (7, 8) zunehmend gegeneinander angedrückt werden.