DE102010055165A1

DE102010055165A1 - Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, Zahnstangenlenkung mit einer solchen Zahnstange sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010055165A1
Application number: DE102010055165A
Authority: DE
Inventors: André Huk
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-18
Filing date: 2010-12-18
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-19
Also published as: DE102010055165B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, eine Zahnstangenlenkung mit einer solchen Zahnstange sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange (2) für eine Zahnstangenlenkung. In einem ersten Abschnitt (11) der Zahnstange (2) werden eine Verzahnung (16) und in einem zweiten Abschnitt (12) ein Spindelgewinde (17) ausgebildet. Zur Herstellung des Spindelgewindes (17) wird in dem zweiten Abschnitt (12) der Zahnstange (2) zunächst die Hauptausprägung des Spindelgewindes (17) durch Umformen ausgebildet. Im Folgenden wird zumindest das Spindelgewinde (17) einer Wärmebehandlung unterzogen und anschließend eine Hartbearbeitung des Spindelgewindes (17) durch Hartwirbeln durchgeführt. Das Spindelgewinde (17) einer solchen Zahnstange (2) hat eine hohe Festigkeit und ist dabei einfach, schnell und kostengünstig herstellbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung, eine Zahnstangenlenkung mit einer solchen Zahnstange sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Zahnstangenlenkungen werden vor allem in Personenkraftfahrzeugen und leichten Nutzkraftfahrzeugen eingesetzt. Üblicherweise ist die Zahnstange in einem Lenkgetriebe aufgenommen, das am Fahrzeug befestigt ist. Dabei ist die Zahnstange relativ zu dem Gehäuse des Lenkgetriebes axial verschiebbar, um einen Lenkwinkel an den Rädern des Fahrzeugs einzustellen. Hierzu sind an die Enden der Zahnstange zwei Spurstangen gelenkig angekoppelt, die zu den Fahrzeugrädern führen. Die Zahnstange weist ferner einen Verzahnungsabschnitt auf, der mit einem Lenkungsritzel einer Lenkwelle kämmt, um einen fahrerseitigen Lenkbefehl an die Fahrzeugräder zu übertragen. Bei elektromechanischen Lenkungen unterstützt ein Elektromotor die Lenkbewegung. Das Motormoment wird beispielsweise über einen Riementrieb auf eine Kugelgewindemutter übertragen, die mit einem an der Zahnstange ausgebildeten Spindelabschnitt in Eingriff steht.
Aus der DE 10 2004 049 365 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer ein Zahnsegment und ein Spindelgewinde aufweisenden Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung bekannt, bei dem sowohl das Spindelgewinde als auch das Zahnsegment in einer einzigen Aufspannung des Werkstücks in einer Werkzeugmaschine durch Wirbeln oder außermittiges Drehen gefertigt werden.
Die DE 10 2005 046 530 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Welle oder einer Mutter für einen Kugelgewindetrieb, bei dem die Nut eines Kugelumlenkungsabschnittes durch spanabhebendes Wirbeln mittels einer Wirbelvorrichtung hergestellt wird. Zur Oberflächennachbearbeitung kann nach dem ersten Wirbelvorgang ein zweiter durchgeführt werden.
Aus der EP 1 784 592 B1 ist es bekannt, zur Herstellung einer Kugelumlaufspindel oder eines Kugelgewindetriebs eine Schneidvorrichtung des Wirbel-Typs zu verwenden.
Nachteilig sind bei diesen bekannten, ausschließlich spanabhebenden Verfahren allerdings die vergleichsweise hohen Bearbeitungszeiten.
Vor diesem Hintergrund Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zahnstange mit einem Spindelgewinde mit hoher Oberflächenqualität und beanspruchungsgerechter Festigkeit zu schaffen, die sich dennoch einfach, kostengünstig und mit kurzer Bearbeitungszeit fertigen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Zahnstange gemäß Patentanspruch 1, eine Zahnstangenlenkung gemäß Patentanspruch 5 bzw. durch ein in Patentanspruch 6 angegebenes Verfahren gelöst. Zur Herstellung des Spindelgewindes wird zunächst in dem zweiten Abschnitt der Zahnstange die Hauptprägung des Spindelgewindes durch Umformen ausgebildet. Im Folgenden wird zumindest das Spindelgewinde einer Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit unterzogen. Anschließend erfolgt eine Hartbearbeitung des Spindelgewindes durch Hartwirbeln, einem Verfahren der Hartzerspanung.
Durch die erfindungsgemäß aufeinander folgenden Verfahrensschritte lässt sich die Zahnstange mit ihrem Spindelgewinde besonders einfach, schnell und kostengünstig herstellen. Die Hauptausprägung des Spindelgewindes wird durch eine Umformung des weichen, ungehärteten Grundkörpers erzeugt. Diese Art der Hauptausprägung ermöglicht eine kurze Prozesszeit. Das zur Endbearbeitung nach der Wärmebehandlung durchgeführte Hartwirbeln ermöglicht die Fertigbearbeitung des Spindelgewindes mit vergleichsweise hoher Fertigungsgeschwindigkeit und Güte. Die Bearbeitung kann trocken ohne zusätzliches Kühlmittel durchgeführt werden. Aufgrund der Wärmeabfuhr über die Späne wird dennoch eine Überhitzung und damit eine mögliche Festigkeitsreduzierung des Spindelgewindes vermieden. Die Oberfläche des hartgewirbelten Spindelgewindes weist eine hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit auf, bei der Form- und Profilfehler vermieden werden. Anschließende aufwendige Schleifoperationen, die eine verhältnismäßig lange Bearbeitungszeit erfordern, sind nicht erforderlich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zahnstange bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zu deren Herstellung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Von Vorteil ist es, wenn das Spindelgewinde der Zahnstange durch Walzen oder durch Rollieren hergestellt wird. Auf diese Weise lässt sich die Hauptausprägung des Spindelgewindes einfach und kostengünstig und mit besonders kurzer Fertigungszeit ausbilden.
Für eine auf einfache Weise realisierbare hohe Festigkeit der Zahnstange im Bereich des Spindelgewindes, in dem die Krafteinleitung z. B. von dem unterstützenden Elektromotor auf die Zahnstange erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn die Zahnstange zumindest im Bereich des Spindelgewindes eine Randschichthärtung aufweist. Diese Randschichthärtung kann vorteilhafterweise induktiv erfolgen. Das Induktionshärten wird eingesetzt, um eine partielle Härtung der Zahnstange durchzuführen, wobei die Randschicht sehr hart sein muss, der Kern aber eher zäh.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Ansicht eines Beispiels für eine elektromechanische Zahnstangenlenkung mit einer erfindungsgemäßen Zahnstange,
2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zahnstange.
1 zeigt ein Lenkgetriebe 1 einer elektromechanischen Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug. Das Lenkgetriebe 1 weist eine Zahnstange 2 auf, die in einem Lenkgetriebegehäuse 3 axial bewegbar gelagert ist. An der Zahnstange 2 greift ein Ritzel 4 einer Lenkwelle 5 an, über die ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment in das Lenkgetriebe 1 eingeleitet wird. Ferner ist die Zahnstange 2 an ihren Enden mit nicht näher dargestellten Spurstangen gelenkig gekoppelt, die zu den Vorderrädern des Fahrzeugs führen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist in dem Lenkgetriebegehäuse 3 ein Elektromotor 6 angeordnet, dessen Antriebsmoment zur Unterstützung des Fahrers über eine Getriebestufe 7, die einen Kugelgewindetrieb 8 einschließt, an der Zahnstange 2 als in axialer Richtung, d. h. in Längsrichtung der Zahnstange 2, wirkende Kraft zur Wirkung gebracht wird. Die Drehachse des Elektromotors 6 verläuft bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu der Zahnstange 2. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, den Elektromotor 6 koaxial um die Zahnstange 2 herum anzuordnen. Prinzipiell kann die Getriebestufe auch über Zahnräder realisiert werden. Vorzugsweise kommt jedoch ein Riementrieb zwischen einem mit dem Elektromotor 6 gekoppelten Antriebsrad und einem nicht dargestellten Abtriebsrad an einer Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs 8 zum Einsatz. Der zugehörige Riemen ist mit 9 bezeichnet.
Wie auch in der 2 dargestellt ist, weist die einteilig ausgebildete Zahnstange 2 einen ersten Abschnitt 11 mit einer Verzahnung 16 und einen zweiten Abschnitt 12 mit einem Spindelgewinde 17 auf. Die Verzahnung 16 des ersten Abschnitts 11 steht mit dem Ritzel 4 der Lenkwelle 5 in Eingriff. Das Spindelgewinde 17 des zweiten Abschnitts 12 der Zahnstange 2 ist Bestandteil des Kugelgewindetriebs 8 und steht über Kugeln mit der Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs 8 in Eingriff.
Als Grundkörper für die Herstellung der Zahnstange 2 wird vorzugsweise ein Rohling aus einem vergütungsfähigen Stahl verwendet. In einem ersten Schritt werden in dem ersten Abschnitt 11 der Zahnstange 2 die Verzahnung 16 beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung wie Räumen oder Fräsen und in dem zweiten Abschnitt 12 die Hauptausprägung des Spindelgewindes 17 durch Umformen in dem nicht gehärteten Grundkörper ausgebildet. Für ein einfaches und kostengünstiges Herstellen der Hauptausprägung des Spindelgewindes mit hoher Fertigungsgeschwindigkeit können z. B. die an sich bekannten Verfahren des Walzens oder Rollierens im Durchlauf- oder im Einstichverfahren angewendet werden.
Zur Steigerung der Festigkeit werden im Folgenden die Verzahnung 16 und das Spindelgewinde 17 einer Wärmebehandlung unterzogen. Da die Randschicht von Verzahnung 16 und Spindelgewinde 17 sehr verschleißfest und daher hart sein muss, der Kern der Zahnstange 2 aber eher zäh sein sollte, wird als Wärmebehandlung vorteilhafterweise eine Randschichthärtung durchgeführt, die auch als Oberflächenhärtung bezeichnet wird. Diese Randschichthärtung erfolgt beispielsweise induktiv. Dabei wird die Randschicht des Werkstücks austenitisiert. Es ist möglich, dass die Zahnstange 2 über ihre gesamte Länge, d. h. kontinuierlich gehärtet wird. Die Randschichthärtung kann aber auch partiell in einem teilkontinuierlichen Prozess in den besonders beanspruchten Bereichen, d. h. im Bereich von Verzahnung 16 und Spindelgewinde 17 erfolgen.
Durch die Randschichthärtung wird im Bereich von Verzahnung 16 und Spindelgewinde 17 eine Oberflächenhärte im Bereich zwischen 50 und 65 HRC (Rockwellhärte nach Skala C) und damit ein sehr guter Schutz vor Verschleiß erreicht.
Allerdings wird die Oberflächenqualität von Verzahnung 16 und Spindelgewinde 17 durch das Randschichthärten verschlechtert, da sich Oxidschichten und Restverzunderungen an der Oberfläche ansammeln, die abgetragen werden müssen.
Daher erfolgt anschließend eine Hartbearbeitung des Spindelgewindes 17 durch Hartwirbeln, wobei nur ein geringes Aufmaß des zuvor bereits hauptausgeprägten Spindelgewindes 17 abgetragen wird. Dies ist aber ausreichend, um mögliche Schwankungen der Geometrie und Oberfläche des Spindelgewindes 17 nach der Wärmebehandlung zu egalisieren und die erforderliche Oberflächengüte und Maßhaltigkeit des Spindelgewindes 17 zu erzielen, ohne dass ein anschließendes Schleifen oder Polieren des Spindelgewindes 17 erforderlich ist. Indem das Aufmaß der weich umgeformten Hauptausprägung des Spindelgewindes gering gehalten werden kann und daher nur eine geringe Materialschicht durch Hartwirbeln abgetragen werden muss, ergibt sich eine vergleichsweise kurze Prozesszeit für das Hartwirbeln.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Zahnstange 2 in einem zwischengeschalteten Schritt, beispielsweise vor der Randschichthärtung, zu vergüten. Vergütung bezeichnet die Kombination aus Härten und Anlassen von Stahl bei höheren Temperaturen, um mit dieser Wärmebehandlung das Material mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hohen Zähigkeitseigenschaften zu versehen. Diese Vergütung kann partiell in einem teilkontinuierlichen Prozess oder kontinuierlich über die gesamte Länge der Zahnstange 2 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Lenkgetriebe
2: Zahnstange
3: Lenkgetriebegehäuse
4: Ritzel
5: Lenkwelle
6: Elektromotor
7: Getriebestufe
8: Kugelgewindetrieb
9: Riemen
11: erster Abschnitt
12: zweiter Abschnitt
16: Verzahnung
17: Spindelgewinde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004049365 A1 [0003]
DE 102005046530 A1 [0004]
EP 1784592 B1 [0005]

Claims

Zahnstange (2) für eine Zahnstangenlenkung, die einen ersten Abschnitt (11) mit einer Verzahnung (16) und einen zweiten Abschnitt (12) mit einem Spindelgewinde (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptausprägung des Spindelgewindes (17) durch Umformen ausgebildet, das Spindelgewinde (17) einer Wärmebehandlung unterzogen und durch Hartwirbeln hartbearbeitet ist.
Zahnstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelgewinde (17) durch Walzen ausgebildet ist.
Zahnstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelgewinde (17) durch Rollieren ausgebildet ist.
Zahnstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (2) zumindest im Bereich des Spindelgewindes (17) eine Randschichthärtung aufweist.
Zahnstangenlenkung mit einer Zahnstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange (2) für eine Zahnstangenlenkung, bei dem in einem ersten Abschnitt (11) der Zahnstange (2) eine Verzahnung (16) und in einem zweiten Abschnitt (12) ein Spindelgewinde (17) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Spindelgewindes (17) zunächst in dem zweiten Abschnitt (12) der Zahnstange (2) die Hauptausprägung des Spindelgewindes (17) durch Umformen ausgebildet wird, im Folgenden zumindest das Spindelgewinde (17) einer Wärmebehandlung unterzogen wird und anschließend eine Hartbearbeitung des Spindelgewindes (17) durch Hartwirbeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung des Spindelgewindes (17) durch Walzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung des Spindelgewindes (17) durch Rollieren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelgewinde (17) einer Randschichthärtung unterzogen wird.